无线传感器网络在航标遥测遥控系统中的应用研究

摘要： 21世纪海上交通运输业发展主题是智能化、信息化。无线传感器网络（WSNs）是一种全新的信息获取和信息处理、传输技术。应用无线传感器网络技术可以增强航标遥测系统的信息化、网络化和智能化，能够实现航标状态信息、船舶航行状态等多种信息的采集。介绍了系统的组成及工作原理，鉴于航标遥测系统能源的特殊要求，进行系统的能耗分析，并提出了系统的节能机制，对无线传感器网络在航标遥测系统上的应用作了初步的研究。

Abstract： The theme of the development of transportation industry in twenty-first Century the sea is intelligent， informatization. Wireless sensor networks （WSNs） are a new information accessing， processing and transmitting technology. The application of WSNs can enhance navigation mark remote measuring system's information， network and intelligence， can carry out the data acquisition such as the navigation-mark information， tide， hydrology， weather， ship's dynamic information etc. The composing and working principle of the system are introduced in this paper. In view of the special requirements of the navigation mark remote measuring system energy sources， the paper analyzes the system's energy consumption， and puts forward energy-saving mechanism. It is preliminary research on WSNs application in the navigation mark remote measuring system.

关键词：无线传感器网络；航标遥测系统；能耗分析；节能机制

Key words： WSNs；navigation mark remote measuring system；energy analysis；energy-saving mechanism

中图分类号：P237 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）23-0194-03

0 引言

海上交通智能化、信息化是21世纪海上交通运输业发展主题。它将运用高新技术手段增进海上交通运输的安全和效率，同时减少交通对环境的影响。航标信息是海上交通安全的最基础和最重要的信息，基于现代信息技术的航标系统是海上交通安全保障体系的重要组成部分。对航标的有效监控和管理，确保航标信息的准确性，为满足船舶安全航行需求提供更好的服务是非常重要的。然而，由于航标遥测系统的特殊的工作环境要求，目前通常采用专网范畴的国家无线电管理委员会指配的VHF频段的频点和公共移动通信系统网络如：GSM短信、GPRS、CDMA等无线数据通信网络作为主要通信方式。虽然GSM网络覆盖范围广，且费用较低，但有些航标所在的环境GSM还不能覆盖，而专网需考虑架设高大的天馈系统和架设中继站来解决通信距离问题，费用昂贵。因此，研究新技术在航标遥测系统的应用具有非常重要的意义。

无线传感器网络（WSN）综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术以及通信技术，能够实现实时检测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或检测对象的信息，同时对这些信息进行处理后活动详尽准确的信息，最终传送到需要这些信息的用户。通过WSN可以使得人们不受时间、地点以及环境的影响而获得大量详细可靠的世界信息，因此，被广泛用于国防军事、国家安全、交通管理、医疗卫生以及反恐抗灾等领域。WSN是信息感知和采集的一场革命，在新一代网络中具有关键作用。对于覆盖范围大、条件恶劣、无人职守环境中的航标遥测系统适合采用无线传感器网络结构。基于无线传感网络的航标遥测系统使得航标不再是一个孤立的导航标志，而是一个具有信息化以及智能化的网络结点，既可以像以往的航标一样被动地工作又可主动地发出航标信息。

1 基于无线传感器网络的航标遥测系统

1.1 系统组成 系统主要由控制中心系统、汇聚节点模块和网络节点模块三大部分组成的。系统组成框架如图1所示。

控制中心系统的功能是完成航标和相关数据的收集、处理、存储、显示和决策支持服务，即负责整个系统的管理和控制工作。主要由汇聚节点、通信机、服务器、GIS客户端平台等组成。

汇聚节点模块相当于网络路由器，因此也可称为路由器。汇聚节点也具有无线传感器节点，是个全功能节点。

网络节点模块由各种无线传感器节点构成的模块。节点可以根据采集的信息不同分为以下几种：航标节点；潮汐节点；水文节点；气象节点；动态目标节点。

1.2 系统工作原理 各无线传感器节点采集的信息分别为：1）水文节点：用于实时采集水深、流速、流向等信息；2）航标节点：通过RS-485/RS-232接口与航标设备相连，实时采集航标状态信息；3）气象节点：用于实时采集温度、湿度、风向、风速等信息；4）潮汐节点：与验潮仪相连，实时采集潮汐信息；5）动态目标节点：用于安装在船舶等动态目标上，实现实时采集动态目标（船舶）的航行信息，如：位置、航速、航向等。

汇聚节点负责收集各自区段（如：某个航标站、某个航道）内的传感器节点采集到的各种数字信息、接收和各种控制命令、并将信息传输到控制中心。为了克服无线传感器网络节点通信距离近的缺点，在GSM（或者CDMA）公网覆盖区内，汇聚节点还支持与管理中心的GPRS（或者CDMA）网络通信以及短消息通信。

控制中心的汇聚节点用于完成与海上航标汇聚节点模块之间的通信。通信服务器包括通信服务器和数据管理服务器，其中，完成传输信息命令和数据的是通信服务器；用来解析、存储以及处理数据的是数据管理服务器。通过解析数据而自动生成各种报表，同时也为各个管理用户即GIS平台等提供数据。GIS是以S57电子海图为基础的客户端软件，在其上叠加上航标信息，就能实现航标信息的可视化以及实现信息的显示、查询以及报表等功能。

目前的海上航标供电均采用太阳能，因此，为了有效利用能源，传感器节点设置了工作和休眠两种状态。在休眠状态，接受电路、微处理器以及采集电路等都是正常工作的，并且控制中心对采集的数据进行融合处理。安装在船舶动态目标的节点上，定时能够发送查询触发的信息帧，当传播进入无线传感器检测系统的监控范围内时就会唤醒最近的传感器节点，同时会寻找一条通往控制中心的最佳路由，从而实现控制中心与动态目标节点的数据传输。

2 系统能耗分析

传感器节点包括四部分：电源，数据感知部件（传感器模块），数据处理部件（处理器模块），数据传输部件（无线通信模块）。随着集成电路工艺的进步，无线通信模块是最消耗能量的，而无线通信模块处于发送、接受、空闲或睡眠四种状态：其中消耗能力最大的是发送状态，消耗能量最小的是睡眠状态，空闲和接受状态的能耗接近，略小于发送状态。当传感器节点处于发送状态时，无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：

E=kdn（1）

式（1）中，d为发送节点与接收节点之间的距离，k近似为一常数，参数n为信号衰减因子，一般为2到4之间的实数。如果考虑海上部署环境及天气情况影响，通常n取3。

海上航标通常间距比较大，这就要求网络节点必须支持远距离通信，由式（1）中可以看出远距离通信必然要增大能耗。如果采用增大发射功率，提高天线发射效率，可以解决通信距离问题；但还必须考虑航标能源系统所能承受的能耗。因此，必须选择合适的节能机制，减少能量损耗，使系统能耗符合航标能源系统所能承受的能耗。

3 系统的节能机制

无线传感器网络的主要任务是将网络中传感器节点收集到的信息传送给汇聚节点，汇聚节点再发送给控制中心。一种实现该任务的最简单方法是直接传送，即网络中的每个节点把到收集的数据直接传送给汇聚节点。然而，当节点之间的距离较远时，节点传送数据消耗的能量太高会容易导致节点的死亡。为了使节点不容易死亡，考虑到航标能源系统的限制，因此，下面将讨论系统的节能机制。

3.1 单个传感器节点的节能机制 通过分析以上能耗可知，数据处理、无线通信以及传感是能耗做大的三个操作。因此，可以分别对这三个模块实现节能。

3.1.1 在数据处理模块中，为了实现单个节点节能，可以通过以下两种方法：第一，采用低功耗硬件设计；第二，采用动态电源管理DPM和动态电压调整DVS。DPM是当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的状态（即睡眠状态）。DVS是当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率从而降低处理能力，可以节约微处理器的能耗。

3.1.2 为了提高单个节点节能，在无线通信模块中可以采用数据融合技术、多跳短距离无线通信以及工作状态来实现。提高无线通信模块的能力使用效率对控制能耗至关重要。

3.1.3 采用信息过滤和数据融合实现传感器单个节点的能量高效。由于其减少了感应的数据量，因此，减少了传感器模块的能量消耗。

3.2 通信协议层的节能机制 根据航标遥测系统和无线传感器网络中的各层的特点和功能提出以下的节能策略：

3.2.1 让节点尽可能超过时间或经常处于睡眠状态。即为了避免接收到不是指向它的传输以及空闲监听造成的能量损耗，让不发送或接受数据的无线电进入睡眠状态。

3.2.2 数据融合。当将数据从源端发送到接收端时，在途中经过路由节点时融合或合并数据包内容，减少传输的信息量从而实现节能。

3.2.3 减少网络各种开支。当协调网络中多节点动作时特别浪费能量。将开销勇于协作传输的接入协议是很浪费能量的，即使他们能有效的使空闲节点在实际数据传输期间进入睡眠。因此，在设计网络协议的时候应当尽量减少各种开销。

3.2.4 选择高效的路由协议。由于无线传感器网络中节点能量有限，因此，如何高效的利用能力是设计路由协议首先考虑的问题。无线传感器网络路由协议不仅是关心其中一个节点的能耗，更关心整个网络能量的均与消耗，避免部分节点过早消耗而影响整个网络的生存周期。虽然目前有很多此方面的研究成果，但是在选择时应当根据实际情况进行合理选择。

对于航标无线传感器网络可以综合应用上述节能机制，使网络节点的能耗消耗尽量减小，达到符合航标能源系统的要求。

4 结论

无线传感器网络在航标遥测系统上的应用，由于采用自组织方式组网，无须申请通信卡、也不必支付费用，同时也使系统具有很强的网络可扩展性和稳定性。而且系统采集的信息除了采集航标状态信息、航行船舶的状态信息之外，可扩充性强，如：可以扩充采集潮汐、水文、气象等信息。但应用无线传感器技术还面临着很大的挑战，通信协议的开发，硬件方面的设计和安全性问题等。这将在后续的项目中进一步研究。

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