基于無線傳感器網絡的船舶識別方法

姜永春，王玉寶

(青島黃海學院，山東 青島266427)

0 引 言

在現代海上交通管理中，船舶識別技術發揮著越來越重要的作用。無線通信技術的發展促使船舶航行安全有了極大的提高，特別是GPS和雷達通信系統在船只上的廣泛應用，對天氣預警、港口管理和貨物運輸起著很大作用。無線傳感器網絡技術奠定了物聯網的基礎，同樣對船舶的識別技術發展也起到推動作用。船舶識別技術除了要求有效避免航行事故，還要求能夠不間斷檢測其他船舶的各種動態信息，同時彼此直接能互相交流信息，并進行快速存儲。但限于各類船只的型號、噸位、用途差異巨大和識別系統的覆蓋成本較大，現階段的船舶識別系統還不能夠做到完全的兼容互聯。

無線傳感器網絡的應用會有效地降低船舶之間的互聯互通成本，同時因為其高效安全的通信協議和傳輸距離，船舶在識別交流中也可以包含更多信息，更加有利于航行的安全。本文系統介紹船舶識別技術要求和WSN 技術的優勢，對基于ZigBee的WSN 技術在船舶識別領域的應用進行可行性分析。理論分析表明，基于Zigbee的WSN 技術能有效提高船舶識別的速度、安全性和覆蓋率，因此具有良好的應用前景。

1 船舶識別技術應用和局限性分析

船舶自動識別系統(AIS)如圖1所示。

通用的AIS 系統在船舶航行和靠岸補給時都能實時顯示周邊船舶的航行動態和身份信息。在開闊水域，AIS 系統監控的船只數量較少，可以快速高效地傳輸有關船只的航向、距離等信息;但在繁忙水域，各個船只間涉及大量信息互傳，非常容易出現網絡堵塞、數據傳輸錯誤、系統崩潰等突發情況，造成很嚴重的后果。

圖1 AIS 組成原理結構圖Fig.1 AIS composition principle diagram

目前，AIS 技術的局限性主要集中在以下3個方面:

1)AIS 硬件系統可視化實現的局限性

在AIS的可視化系統中，由于屏幕的限制，不可能同時對每艘附近的船舶進行無障礙顯示，所以必須要求系統能夠智能識別最近的目標，并能主動發出預警，通知操作人員做出相應的航向調整動作。

2)船舶位置精度的局限性

由于GPS 系統受多種因素的影響，特別是在惡劣氣象條件下，其定位數據時常會發生錯誤，威脅著船舶的航行安全。但全球定位系統的加入對AIS系統的運行起到了至關重要的作用。當前可以融合中國北斗定位系統和俄羅斯格洛納斯導航系統，如此可以有效加強船舶定位的準確性。

3)船首向顯示的局限性

全球導航系統只能顯示船舶的位置和航跡，但AIS 系統還要求能實時確定船舶的船首方位，這就嚴重依賴于來自羅經儀的數據，如果此數據發生錯誤，可能對周圍船只發送錯誤的信息，從而導致整個系統出現更嚴重的問題。通過了解AIS 系統的局限因素，最終確定系統設計的改進方向，從而為提高艦船在航行和作業活動中的安全性和可靠性，同時也為改善所設計產品的綜合性能提供科學依據［1］。

如今在無線數據信息交換技術領域，出現了許多無線傳感技術，但每種技術都還存在相對的局限性，在傳輸距離、功耗、網絡容量等方面各有側重。目前，市場上應用最廣泛的無線通信技術主要有紅外技術、藍牙技術、Wi-Fi 技術以及近年興起的ZigBee 技術等［2］。其中ZigBee 技術在無線識別領域的潛力更大［3］。

2 基于ZigBee的無線傳感網絡船舶識別拓撲結構分析與核心硬件設計

在復雜水面環境中，船只之間的通信受到氣象條件的影響非常大。優良的通信系統必須具備一定的自我糾錯能力、修復能力和抗干擾能力，對大規模的突發通信能高效處理，避免發出錯誤信號。綜合來看，ZigBee 網絡基本能滿足以上要求。

ZigBee的網絡拓撲結構有樹型網絡、星型網絡和格型網絡3 種，如圖2所示。

圖2 ZigBee 網絡拓撲Fig.2 ZigBee network

格型網絡每個節點之間互為主次，只要2個節點就能形成通信網絡，同時對多個節點有良好的兼容性和覆蓋性，能實時與附近的節點進行互聯互通，具有自我修復能力強、強穩定性好和安全系數高等特點，非常適用于船舶在復雜條件下的信息識別要求。

解碼器HDecode和Julius的聲學模型使用HTK工具包進行訓練。HTK工具包提供了一個很好的參考文檔和一個包含基本功能的訓練示例，這為進一步進行深入開發提供了較好的幫助，有效提高了開發效率[8]。

格型網絡節點都分配有全球唯一的MAC 碼，MAC 碼層信道接入采用無信標模式傳輸。此網絡拓撲結構中每2個終端設備之間可以互相識別通信，實時傳送動態信息，也可與多個設備同時傳遞，或者通過網絡編程實現P2P 傳遞。此模式對錯誤信號還有糾錯能力，其原理是通過對來自多個信道的信息進行比對分析，最終通過一定的算法實現目標動態信息正確率的最大化。目標的動態信息主要包括速度、瞬時加速度、垂直升降速度、運動方向、目標所在的方位、距離和海面吃水深度等［4］。

船舶識別系統的簡單組網拓撲結構如圖3所示。

圖3 船舶自動識別系統組網過程Fig.3 Process of automatic identification system network

系統的各個節點由ZigBee 無線連接，通過射頻串口的方式進行讀寫通信，可有效節省傳統布線所需要的時間，并且在安裝時無需額外輔助設備，即可進行快速組網，增加了船舶識別的可靠性和便捷性。整個系統結構由船舶身份標簽、讀寫器、ZigBee 傳輸節點和串口協議等部件組成。系統結構如圖4所示。

圖4 系統結構框圖Fig.4 Block diagram of the system

船舶自動識別系統的Zigbee 網絡核心硬件設備由船載子節點、無線傳輸裝置和船舶信息采集存儲設備3個主要部分組成，如圖5所示。

整個系統建立在ZigBee 網絡之上。船載子節點包含傳感器元件、MCU、供電設備和ZigBee 收發機;采集設備中需要加入存儲設備，也可以通過移動網絡進行云存儲，進一步降低運行成本。整個系統的功耗非常低，可通過內置鋰電池運行很長時間，非常有利于普及推廣應用［5］。

圖5 系統核心硬件設備Fig.5 Core hardware system

對于無線連接要求最高的部分是射頻收發模塊，ZigBee 收發機之間通過射頻信號實現連接，并快速完成數據的交換。整個系統的射頻信號處理都用微處理器芯片來完成。無線信號的編碼和加密、調制和解調都由射頻芯片完成，傳感器部分負責各種船舶自身信息的識別和模數轉換并最終交由MCU 處理，最后由ZigBee 收發機發射出去，對方的收發機處理完接收到的信息后也會反饋回來，并對信息驗證，以判斷是否傳遞了錯誤數據。

本文選擇STC89C52RC 作為主微處理器，選用MF RC500 作為射頻收發芯片，由于每個船舶之間距離較遠，所以必要時可以加大射頻芯片的發射功率，以獲得良好的覆蓋范圍。整個射頻部分硬件結構如圖6所示。

圖6 射頻部分硬件結構Fig.6 The hardware structure of radio frequency module

3 WSN 船舶識別系統軟件實現

整個系統主節點的軟件設計流程如圖7所示。

船舶終端節點可由一個全功能的設備組成，由于每個船舶都是對等的網絡，必須同時能夠兼顧主節點和次節點的功能，每個節點之間不能相互干擾，對來自各個終端的數據傳輸請求也要做出及時的響應。

首先船舶識別設備不斷發出掃描信號，每個設備收到激活命令后就立即激活網絡協議，發送給對方進行確認。把符合協議標準的船舶納入網絡內，并通過P2P 協議對網絡內的其他船舶進行身份信息交換，握手連接成子網絡。隨著船舶加入數量的增加，子網絡變得越來越龐大，這時可以設定一個或多個在交叉子網絡中的船舶作為主信息交換節點，主交換節點之間再進行信息交換，這樣可以大大降低整個系統負荷，同時由于其組網過程簡單，當有船舶退出網絡后，其他船舶可以不受影響。

圖7 主節點工作流程圖Fig.7 Flow chart of coordinator

為了提高整個網絡的穩定性，在系統軟件部分可以加入自檢程序，從整個系統的初始化部分開始，自檢程序可以實時監測是否有硬件故障或軟件運行錯誤，如此可以高效完成船舶的身份信息交換任務，最終保障整個航行的安全。

4 結 語

本文首先介紹了AIS 系統的局限性，最終選用ZigBee 作為船舶識別系統的主要平臺來突破限制。文中給出了識別系統的設計思路，提出了核心的硬件架構，并給出了軟件設計流程。綜合來看，本文設計的Zigbee 網絡具有安全性、成本控制、靈活性和功耗效率等其他網絡所不具備的優點。

［1］胡曉芳，胡勇，程劍，等.艦船危險識別方法研究［J］.艦船科學技術，2008，30(1):88-89.HU Xiao-fang，HU Yong，CHENG Jian，et.al.The study on the method of identification of dangers on ship［J］.Ship Science and Technology，2008，30(1):88-89.

［2］徐曼.基于ZigBee 技術的無線射頻識別系統的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學，2010.

［3］SEMICONDUCTOR F.MC13192/32.4GHz Low Power Transceiver for the IEEE802.15.4 Standard Reference Manual，2006.

［4］徐勇，高天孚.航母編隊目標識別能力需求研究［J］.艦船科學技術，2014，36(7):144-145.XU Yong，GAO Tian-fu.Research on the requirement of target recognition ability of aircraft carrierbattle groups［J］.Ship Science and Technology，2014，，36(7):144-145.

［5］金純，羅鳳，陳峰，等.ZigBee 車輛自動識別系統的設計［J］.微計算機信息，2007，23(12-2):41-43.JIN Chun，LUO Feng，CHEN Feng，et.al.The design of ZigBee vehicle automatic identification system ［J］.Microcomputer Information，2007，23(12-2):41-43.