基于傳感器網絡的船艙環境監視系統

劉豐華

(順德職業技術學院 電子與信息工程學院，廣東 佛山528300)

0 引 言

近年來，隨著造船科技的蓬勃發展，船舶的構造和采用的設備亦越來越復雜。同時，在船舶結構日趨復雜的情況下，船舶航行過程中的穩定性和安全性也受到了前所未有的關注。例如引擎故障、供電線路短路、氣體及液體泄漏等，都可能會對航行安全造成致命的威脅。尤其對于運輸易燃易爆、有毒化學品的船舶來說，溫度、濕度、壓力等的變化以及貨物自身的變化等，都有可能引起火災、爆炸、泄漏等事故［1-2］。

通過研究以往的事故記錄可以發現，當發現位于船艙或甲板的事故時，已經沒有時間采取必要的措施對事故進行處理或逃生，從而會造成難以挽回的重大損失。因而，對船艙和各個機室進行監控，及時發現船艙環境的異常，并給出迅速的預警信號，對預防船舶事故以及船舶災控等，具有重大意義［3］。

無線傳感器網絡作為一種新型的信息獲取和處理手段，具有體積小、部署開銷小、低功率要求、自組織等優點。近年來，無線傳感器網絡得到了廣泛的應用，在軍事領域、健康領域、住宅、商業領域等取得了顯著成績［4-5］。例如，利用聲學傳感器可以在戰場中實時探測和計算狙擊手的位置;通過在人的皮膚表面部署傳感器，可以實現遠程的生理指標監控。除此之外，自動化的家庭管理，商品物流信息的獲取和監控等均是當前較為成熟的應用案例。

本文提出一種基于傳感器網絡的船艙環境監視系統，該系統將無線傳感器網絡應用于船艙監視領域，使用多種傳感器，能夠實時、智能地監測船舶內部發生的各種異常，并及時發出警報信息。本文設計了整個系統的框架，并對若干關鍵技術，如路由技術、三維定位技術進行了研究，并通過實驗證明了本文提出方法的可行性。

1 系統框架設計

本文提出的系統主要包含無線傳感器網絡和岸艦通信網絡2個部分。船艙環境信息由傳感器節點收集完畢之后，通過各種類型的傳感器節點和中繼節點，發送給部署在船舶上的基站，各種信息在基站匯聚，并通過無線網絡將處理的信息發送給中央控制器和岸基監控中心。基站和岸基監控中心通過船舶INMARSAT 站、INMARSAT 衛星和INMARSAT 地面站連接，實現對數據的監控、分析和預警。船舶和岸基監控中心的通信網絡已是一種成熟的技術，因此，本文主要研究的是船舶無線傳感器網絡結構和關鍵技術。系統的總體框架如圖1所示。

圖1 系統基本框架圖Fig.1 The structure of the system

船舶傳感器網絡主要由傳感器節點、中繼節點和基站組成。

傳感器節點由傳感器、數據處理模塊、RF 模塊、電源模塊4個部分組成。其中傳感器主要指多種類型的傳感器設備，如溫度傳感器、壓力傳感器、氣體傳感器等;數據處理模塊是整個傳感器節點的數據處理中心，包括內存、嵌入式CPU，負責控制整個傳感器，將本節點收集的數據或外部節點發送的數據存儲起來并進行處理;RF 模塊負責和其他節點進行通信，交換控制信息、發送或接收收集到的數據;電源模塊為整個傳感器節點的數據收集和通信過程提供電力。

當傳感器節點的周邊環境較為穩定時，則該節點進入睡眠模式，以節省能量消耗，并且使用心跳協議向基站表明，該節點是否正常工作。

中繼節點是連接封閉船艙內的傳感器節點與外部的唯一通路，同時也是傳感器節點數據到達基站的跳板。考慮到船艙的內部構造對無線信號的遮擋作用，廣泛的采用中繼節點十分必要。

最終，整個無線傳感器網絡的數據被匯聚到基站。基站可以是1 臺服務器，也可以是1 臺PC，并且與網關相連，能夠接收傳感器網絡發送的各種數據。服務器通過接收實時數據，對船舶各個艙室和設備的運行情況進行實時的監控，對異常情況作出合適反應，同時能夠通過海事衛星和Internet，向岸基監控中心報告當前的船舶狀態，并獲得相應指令。

2 關鍵技術分析

2.1 高效的路由技術

在船舶無線傳感器網絡中，由于傳感器節點的發送和接收功率有限，以及船艙的密閉式結構，導致在大范圍的傳感器網絡中，傳輸范圍無法覆蓋整個網絡，因而傳感器節點和基站之間無法直接傳遞數據。因此，為了保證傳輸過程的實時性和經濟性，我們必須設計一種適用于船舶環境的，高效、低能耗、多跳的路由算法。

當傳感器節點監測的數據產生較大幅度的波動時，傳感器節點開始啟動路由算法，并通過多跳方式將消息發送給基站。另一方面，如果傳感器節點監測到的數據非常平穩，則傳感器節點進入睡眠模式，以節省能量消耗。除此之外，每個傳感器節點都將使用一個心跳協議，采用間歇性通信的方式，告訴其周邊的節點自身的工作狀態。

當前無線傳感器網絡中的路由方法是研究的熱點之一，已經具備了較多的學術成果，并得到了廣泛應用。其中主要的幾種有:基于優先級的多徑路由 (Priority based Multi-path Routing Protocol，PMRP)、大范圍多跳路由協議(Free Scale- Multi Hop routing protocol，FSSMH)等。根據本文應用的具體場景，本文主要采用PMRP 作為路由協議，PMRP的主要特點為能夠采用多徑傳輸，大大提高了消息傳遞的可靠性。由于在船舶環境中，自然條件較為惡劣，同時船艙的密閉結構，均會對無線信道的性能產生較大的影響。而PMRP 采用的多路徑傳輸模式，恰好能夠消除這種不穩定性，通過選擇信號強度大的節點，能夠使用超過一條無線信道進行傳輸，大大增加了消息傳遞的成功概率。

在傳統無線傳感器路由方法中，關注的往往是可達性:使用盡量少的跳數，將消息由源節點傳輸到基站。然而，在實際的無線傳感器網絡中，首先應當考慮的是能耗的經濟性，而非可達性。為此，本文在使用PMRP的基礎上，同時應用了改進的MAC 層協議CSMA/SF。

CSMA/SF 是近兩年新提出的無線MAC 層協議，其主要關注的是如何節省傳感器節點的能耗。其主要思路是，通過MAC 層調度，使得具有較短消息的傳感器節點首先發送消息，具有較長消息的傳感器節點等待。這樣減少了全局的等待時間，從而減少了無線傳感器網絡的整體能耗，同時，又利用一定的超時機制，有效防止了部分節點過度饑餓的問題發生，在節省能耗的基礎上，有效保證了消息傳遞的時延。

2.2 三維定位技術

空間定位是無線傳感器網絡需要解決的基本問題之一。由于船舶無線傳感器網絡的部署范圍和使用規模較大，因而每個傳感器節點的位置分布較廣，難以直接獲取。因而，當傳感器發現異常，并給出警報之后，有效快速地對該傳感器進行定位，并采取適當的處理措施，顯得尤為重要。為此，我們需要研究無線傳感器網絡在三維空間中的定位問題。

在無線傳感器網絡的定位問題研究成果中，大多數研究的是在二維平面的定位問題，對三維空間的定位問題研究較少。根據是否需要測量節點與基站之間的距離，可以將定位方法分為兩類:一種是基于范圍的定位，另一種是非基于范圍的定位。其中DV-Hop 是一種典型的非基于范圍的方法，在這種方法中，事先已經知道了網絡中每一跳之間的距離，因而可以通過消息傳遞的跳數，獲得傳感器節點和基站之間的距離，進而可以獲得節點的地理位置。TOA (Time of Arrival)、TDOA (Time Different on Arrival)和 RSSI (Received Signal Strength Indication)術語基于范圍的方法。在他們之中RSSI因為其復雜性低、部署開銷小等優勢，成為了應用最為廣泛的方法之一。

RSSI 方法是指根據接收到信號的強度和基站發射信號的強度，通過傳播模型我們可以計算出傳感器節點和基站之間的距離。RSSI 提供了一種靈活的方法，來估計傳感器節點之間的距離，并且它不需要對硬件做任何的改動，只需其能夠收發無線電信號即可。RSSI 主要的缺點是在實際應用場景中，這種方法較不穩定，容易受到其他信號的干擾而造成距離估計的誤差。由于多徑傳播，衍射和遮蔽效應等，可能會造成距離估計的錯誤，因此我們需要繼續研究如何提高無線信道的穩定性以及定位的精確性。

基于位置映射的定位方法和基于馬爾科夫鏈的定位方法是典型的RSSI 方法，實驗結果表明以上經過改進的RSSI 方法要比傳統的RSSI 方法具有更好的效果，因而，本文采用基于馬爾科夫鏈的定位方法。并且，在一些研究成果中，還采用了位置指紋、RF 傳輸參數的線性回歸和等邊三角形原則等，來提高定位的精確性。

3 實驗驗證

由于船舶自身的鋼結構特點，可能會對無線信號的傳輸造成較為嚴重的遮蔽、反射作用，因而在真實船舶環境中，對無線傳感器網絡的使用效能進行驗證是必要的。為了驗證本文提出方法的可行性，于2014年春季選取了實驗船舶，并在該船舶中進行了試驗，該實驗主要對船艙以及引擎艙的環境數據進行了監控和收集，并對實驗結果進行了記錄。

選取的實驗船舶為普通中型船舶，全艦長116 m，艦寬18 m，設計吃水深度5.4 m，總載重量為6 106 t。在實驗船舶上，裝備了導航設備、海洋工程設備、貨物儲存和轉運設備等多種常見的船舶設備，其擁有包括船員宿舍、輪機艙在內的多個艙室，并具備多種設備的維護和操作艙室、特殊貨物的貯存艙室等。

整個實驗船舶的甲板由以下部分組成，最下層為船艙內底，之后為二層甲板、主甲板、上層甲板、救生艇甲板、船長甲板、導航甲板和羅經甲板。主引擎室和附屬引擎室位于船舶后部的主甲板上。

在實驗過程中主要使用了4個傳感器節點，其中一個傳感器節點部署在艦橋，2個節點部署在引擎室，另一個節點部署在其他艙室。實驗采集的數據如圖2所示，整個傳感器網絡的拓撲圖如圖3所示。對本文提出方法的實現和實際的實驗數據，證明了無線傳感器網絡能夠實現對于船艙環境的實時監控，并能夠對船艙的異常情況發出相應的警報。

圖2 節點2 氧濃度數據Fig.2 The oxygen density in node 2

圖3 傳感器節點拓撲圖Fig.3 The topology of wireless sensor network

圖4 傳感器節點消息Fig.4 The message of the sensor node

本文提出的方法已經在一定范圍內得到了應用，在下一步工作中，將主要研究如何提高無線傳感器網絡的傳輸穩定性，從而提高整個系統的可用性和可靠性。

其中Node2，Node4，Node6，Node7 為傳感器節點，Node3001，Node3002 為中繼節點，Base 0 為基站。由圖3所示，Node 7 收集到的信息首先發送給Node 2，之后經過中繼節點的傳輸，發送給基站;而Node4 與中繼節點之間的距離較短，可以直接和中繼節點進行通信;除此之外，Node 6 被部署在艦橋，因而可以直接和基站進行通信。

在本試驗中通過收集每個節點真實、實時的數據，來獲得實際的使用效果，從每個傳感器節點接收到的消息如圖4所示。

4 結 語

本文研究了無線傳感器網絡在船舶環境監控中的應用，提出了一種基于傳感器網絡的船艙環境監視系統，并且分析了該系統的關鍵技術，如多跳中繼傳輸與路由、三維定位技術等，并通過在真實船舶中的實驗，驗證了本文提出方法的有效性。通過

［1］WANG Feng-wu，WU Zhao-lin，ZHENG Zhong-yi.Analysis and preventing measure of the shipwreck［J］.World Shipping，2003，26(1):9-10.

［2］CHEN Lin-xing.The technology and application of wireless sensor networks［M］.Beijing:Publish House of Electronics Industry，2009:15-18.

［3］STANDLEY M，MARCULESCU D.An 0.9 × 1.2，low power，energy-hanvesting system with custom multi-channel communication interface［C］//New York :ACM Press，2007:15-20.

［4］蔣雷，賀國.一種絕對式氣壓傳感器結構與相關特性［J］.艦船科學技術，2013，35(6):126-130.JIANG Lei，HE Guo.An absolute pressure sensor structure and related properties［J］.Ship Science and Technology，2013，35(6):126-130.

［5］王偉，林恒清.基于AFDX的淺用水聲傳感器信息傳輸網絡［J］.艦船科學技術，2012，34(12):56-60.WANG Wei，LIN Heng-qing.Shallow with acoustic sensor based on AFDX network information transmission［J］.Ship Science and Technology，2012，34(12):56-60.