基于LoRa技術的智能航標監管系統設計與實現

蔡夢揚 宋庭新

摘要：為了改善傳統航標管理方式中管理效率低下及管理成本較高等缺點，針對傳統內河航道的航標設計了一種基于LoRa技術的智能航標監管系統。采用RasberryPi和Linux嵌入式系統采集水文氣象信息和航標地理信息，采用基于LoRa技術的網關，使用4G網絡實現與遠程監控系統之間的數據傳輸，實現了水文氣象信息和航標位置實時監測以及航標智能化管理，一定程度上提高了航標管理效率，同時降低了管理成本。

關鍵詞：LoRa技術;航標;GPS定位;監管系統;網絡節點

DOI： 10. 11907/rjdk.191749

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）004-0143-04

The Design and Implementation of Intelligent Navigation Mark Supervisory System

Based on LoRa Technology

CAI Meng-yang， SONG Ting-xm

（School of Mechanical Engineering ， Hubei Univer.sity of Technology ， Wuhan 430068.ChirLa ）Abstract： In order to improve the shortcomings of low efficiency and high cost of management in traditional navigation mark manage-ment mode， this paper designs an intelligent navigation mark monitoring system based on LoRa technology for traditional navigationmark of' inland waterway. RasberryPi and Linux embedded system are used to collect hydrometeorological information and geographicinformation of' navigation mark， and a gateway based on LoRa technology is adopted. The data transmission between remote monitoringsystem and 4G network is realized. Real-time monitoring of hydrometeorological information and navigation mark position and intelli-gent management of navigation mark are realized. To a certain extent， it not only improves the manageruent efficiencv of'the buo， butalso reduces the management cost.Key Words ： LoRa technology ; navigation aids ; GPS positioning ; monitoring system ; network node

O 引言

航標是確保航運安全的重要設施，加強航標管理是實現水路運輸暢通、高效、平安、綠色的重要保證。美國于20世紀末在夏威夷召開的第十三屆國際航標大會上提出航標信息管理系統[1]，目前在實現航標設備自動化基礎上，逐步開展了以內河水域航標監控為主的航標系統白動化，并開始建立航標數據庫和組建航標信息系統，從而實現航標管理白動化[2]。近年來，長江武漢航道局與武漢大學GPS工程研究中心共同研制的航標智能化監控系統在武漢長江大橋橋區航道投入使用，在船舶航行與航標管理中取得了相當成效[3]。但由于缺乏互聯網技術應用，航標監控系統仍存在一些不足，如低功耗、實時性、穩定性等性能優化問題尚未得到解決。在航標管理方式選用方面，我國基本采用傳統方式管理航標，由巡邏船定期檢查航標燈是否存在故障，對存在故障的航標進行維修。因此，現有航標管理方式存在管理成本高及管理效率低下的問題。本文針對目前航標管理弊端以及航標監控技術上的不足，研發了一種基于LoRa通信技術的智能航標監管系統。該系統可以對航標燈進行實時遠程監控，及時了解航標地理信息及各項水文氣象信息[4];通過航標燈GPS定位，對航標偏移進行預警，迅速捕捉偏移量較大的航標燈，及時調派維修人員赴現場進行位置調整，確保航標燈處于正常位置和狀態，提高了通航的安全性，同時也提高了航標管理效率，對內河流域綜合交通環境發展具有重要意義。

1 系統業務分析

本系統在業務需求上主要包括3個方面：一是根據采集到的航標GPS信息以經緯度定位的形式將航標顯示在監控界面中，可以通過航標的不同類型以及所屬不同航段進行篩選查詢定位;同時每個航標的GPS信息以及采集

2 總體技術方案

系統總體技術方案如圖2所示。上層為信息采集層，由網絡節點模塊與控制中心系統組成[5]，網絡節點模塊采用RasberrvPi和Linux嵌入式系統的無線傳感器網絡模塊設計[6];控制中心系統主要包括LoRa的無線通信模塊和通信服務器設計，通過對數據采集、數據傳輸處理以及采用數據庫服務提供實時數據庫，實現對航標各項數據的到的各項水文氣象信息需要顯示在對應航標的信息窗口;二是針對航標的位置偏移，當偏移量達到設定的預報預警值時，在系統中需要有相應的通知，根據此通知進行航標相關問題處理;三是對航標進行維護維修管理，根據擬定的維護維修方案，對航標進行各項檢查，處理航標存在的故障。根據上述業務需求，設計系統功能模塊如圖1所示。存儲和管理。中間層運用Socket通信將地理信息與各項水文氣象信息插入服務器中對應的后臺數據庫表，數據庫中存儲實時數據和歷史數據，進一步對航標數據進行存儲和管理。底層是后臺監管系統，用于對航標進行監控和管理[7]。系統前端采用Web服務器顯示用戶界面，后端采用Weh服務器和數據庫服務器處理業務邏輯，在請求數據庫數據時運用Ajax技術，其最大特點是提供異步更新機制，將網頁中的一部分單獨刷新，利用該特性將航標的地理信息和各項水文氣象信息實時加載到前臺。 3 基于LoRa技術的通信設計

LoRaWAN是一種低功耗廣域協議（LPWAN），LoRa技術具有遠距離、低功耗、多節點、低成本的特性，是一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，由美國Semtech公司提出并推廣[8]。LoRa網絡易于建設和部署，已成為當前最為普遍應用的物聯網專用網絡通信技術。目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915MHz等[9]。

系統LoRa通信設計采用服務器一網關一節點的連接方法，觀測信息通過終端讀取并在終端輸入命令反饋給節點[10]，節點和網關之間通過天線匹配的方式進行連接和信息傳輸。節點部分主要完成各項水文氣象信息采集與近距離數據傳輸。根據采集信息的不同可分為水文節點、氣象節點、航標節點等。各無線傳感器節點采集的信息分別為：①水文節點，實時采集水的深度、流動速度、流動方向等信息;②氣象節點，實時采集各項氣象信息;③航標節點，實時采集航標位置信息。在通信軟件設計方面，為了讓軟件實時監測顯示各節點采集信息，程序中定義了各節點信息初始值，以條件結構的方式說明不同情況下軟件接收數據狀態，接收到各節點采集的新數據時都會更新顯示，同時展示出數據變化趨勢及具體變化情況，通過檢驗設備測試和鏈接狀態驗證數據準確性。

LoRa網關設計中多個程序需要在網絡連接狀態下運行，因此首先需要執行網絡連接代碼完成網絡連接，當檢測到網絡丟包率為0時才會啟動。在進行網絡連接后，需要對網卡進行設置，定義特定參數。同時，使用者還需要獲取操作權限，否則將無法進行后續操作。在完成設置并獲取權限后，即可進行Gatewav程序安裝和Gatewavconf數據獲取。在LoRa通信過程中需要建立LoRa通信協議，LoRa通信協議是通信計算機雙方必須共同遵從的協議，計算機之間使用該協議才能進行交流。在建立協議之后，需將LoRa網關的用戶界面建立起來，完成計算機之間的信息傳輸。而完成傳輸信息過程則需要建立指定的數據傳輸方式，將獲取的信息傳輸出去[11]。LoRa數據傳輸結構如圖3所示。

4后臺監管系統軟件設計

本監管系統采用B/S架構和SSM框架進行開發，SSM框架結構如圖4所示。其中，Spring框架作為一個無侵入式的輕量級框架，通過Spring提供的IoC容器，可以將對象之間的依賴關系交由容器進行控制，避免硬編碼造成過度耦合[12]。SpringMVC作為控制層，可將業務邏輯層與表示層分開，實現前端頁面與后臺業務邏輯松耦合連接，而且采用MVC設計模式能很清楚地將程序員與設計者的角色區分開。Mvhatis作為持久層框架，支持白定義SOL語句、存儲過程以及高級映射，只需使用簡單的XML或注解來配置和映射原生信息[13]，就能將接口和Java的POJO類映射成數據庫中的記錄。系統開發工具選擇了具有標準化接口與松散耦合特點的Eclipse，有利于本系統與其它系統的集成及今后擴展升級[14]。

為實現前端頁面動態展示效果和增加用戶體驗，系統采用EasvUI技術進行界面開發。通過使用EasvUI，開發者只需編寫一些簡易的HTML標記，即可達到定義用戶界面的目的，無需編寫復雜代碼，大幅提高了開發效率。系統監控界面引用百度地圖API，包括JS API、Web服務API、Android SDK、iOS SDK、定位SDK、車聯網API、LBS云等多種開發工具與服務[15]。JS版本還為用戶開放了開源庫，簡化了開發。系統引用百度地圖JS API應用接口，將實時加載到的航標地理信息通過經緯度定位的方式顯示到前臺頁面，將實時加載到的各項水文氣象信息展示到對應航標的屬性窗口，以達到遠程航標監控效果。

為了實現智能航標監管的實用性和科學性，根據航標監管的業務需求，系統設計了航標監控、航標偏移預報預警、備品備件管理以及航標維護維修管理4個核心業務功能，其功能如下：

（1）航標監控。主要對航標進行實時監控，可根據指定航段和指定種類的航標獲取航標地理信息以及各項水文氣象信息，從而更好地實現航道信息化和數字化[16]。

（2）航標偏移預報預警。主要針對水流以及風力等因素作用下偏移量較大的航標，實施偏移預報預警機制調度人員對其位置進行調整，使其在正常位置上工作運行，從而提高航道安全性[17]。

（3）備品備件管理。主要對航標相關備品備件進行管理，當備品備件出庫或入庫時對其進行出入庫登記[13]。

（4）航標維護維修管理。主要包括維護維修方案和維護維修計劃，根據制定的維護維修方案，對航標進行系統檢查，記錄存在故障的航標，調派維修人員對其進行維修，保證航標能正常運行，從而達到安全通航效果”1。

航標監管系統主界面如圖5所示。

5 結語

本文提出基于LoRa技術的智能航標監管系統，主要針對內河航道航標燈，實現實時監控和智能化位置偏移預報預警。該系統可以有效降低航標燈維護成本、提高管理效率，對航標燈進行有針對性而及時的維護與檢修[20]，使航標管理人員能夠迅速掌握航標相關信息，并能對航標燈進行遠程監控[21]。在航標日常管理中，系統可針對維護維修計劃進行維護維修流程處理，進一步降低航標維護成本并提高管理效率。本文研發的智能航標監管系統在漢江襄陽段內經過試用，效果良好，此后可在其它內河流域推廣使用[22]。

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（責任編輯：孫娟）

收稿日期：2019-06-13

基金項目：湖北省交通運輸廳科技項目（2017-538-4-5）

作者簡介：蔡夢揚（1994-），男，湖北工業大學機械工程學院碩士研究生，研究方向為制造業信息化;宋庭新（1972-），男，湖北工業大學

機械工程學院教授，研究方向為制造過程信息化與自動化。本文通訊作者：蔡夢揚。