內(nèi)河航道智能航標(biāo)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)分析

1 前言

在以往內(nèi)河航道運(yùn)輸中，航標(biāo)僅可提供單一視覺(jué)導(dǎo)航服務(wù)，且極易出現(xiàn)漂移、丟失、故障定位不及時(shí)問(wèn)題，同時(shí)還需要人工輔助采集風(fēng)向、風(fēng)速、GPS（全球定位系統(tǒng)）信息，工作繁重且安全隱患高發(fā)?；诖?，利用現(xiàn)代智能技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)一種具備安全輔助機(jī)制的內(nèi)河航道智能航標(biāo)系統(tǒng)就具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

2 內(nèi)河航道智能航標(biāo)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求

根據(jù)《航道養(yǎng)護(hù)管理規(guī)定》（交水發(fā)〔2010〕756號(hào)）、《中華人民共和國(guó)航標(biāo)條例》、《中華人民共和國(guó)內(nèi)河交通安全管理?xiàng)l例》的相關(guān)要求，基于現(xiàn)代智能技術(shù)的內(nèi)河航道航標(biāo)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需求，航標(biāo)的運(yùn)行正常率在90%～99%以上；同時(shí)，根據(jù)航道船只貨運(yùn)量、年度通行情況劃分航道級(jí)別，以此進(jìn)行航標(biāo)的智能編號(hào)，便于后期維護(hù)[1]。

3 內(nèi)河航道智能航標(biāo)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，基于現(xiàn)代智能技術(shù)的航標(biāo)系統(tǒng)包括系統(tǒng)后臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、船載節(jié)點(diǎn)、組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)4個(gè)模塊[2]。其中系統(tǒng)后臺(tái)主要是針對(duì)內(nèi)河航道行駛船只，搭載以GPS 模塊、ZigBee（紫蜂，低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)上協(xié)議）模塊，實(shí)時(shí)獲取船只位置信息。隨后，經(jīng)紫蜂組網(wǎng)將獲取的內(nèi)河航道運(yùn)行船只位置信息發(fā)送至組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)以嵌入式ARM 主機(jī)（Advanced RISC Machine，RISC 微處理器）為核心，面向各個(gè)船載節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)、航標(biāo)節(jié)點(diǎn)以及氣象傳感器、潮汐傳感器、水文傳感器模塊并進(jìn)行解讀、剖析，經(jīng)4G 網(wǎng)絡(luò)將全部解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器。航標(biāo)管理者可以在后臺(tái)PC 端監(jiān)控模塊進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理；船載節(jié)點(diǎn)搭載了一個(gè)MCU（Microcontroller Unit，微控制單元）、紫蜂，可以與組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)紫蜂點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)搭載在航標(biāo)燈上，包括紫蜂和全球衛(wèi)星定位兩個(gè)模塊。

圖1 智能航標(biāo)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4 內(nèi)河航道智能航標(biāo)系統(tǒng)的硬軟件開(kāi)發(fā)

4.1 硬件開(kāi)發(fā)

基于現(xiàn)代智能技術(shù)的航標(biāo)系統(tǒng)硬件選用模塊化開(kāi)發(fā)技術(shù)。即在紫蜂組網(wǎng)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，將各承載紫蜂節(jié)點(diǎn)、全球衛(wèi)星定位模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上采用RISC 微處理器架構(gòu)的Tiny641DK 開(kāi)發(fā)板，經(jīng)串口接口連接傳感器（溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向等）；隨后再經(jīng)模塊，將采集的環(huán)境信息、航標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置信息轉(zhuǎn)移發(fā)送給后臺(tái)服務(wù)器。主控子模塊是微處理控制器，包括若干個(gè)模擬比較器、內(nèi)部時(shí)鐘源、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串口、定時(shí)器/脈寬調(diào)制器、鍵盤(pán)終端模塊及輸入/輸出管腳[3]。

基于內(nèi)河航道運(yùn)輸特性，現(xiàn)代智能技術(shù)應(yīng)用下的航標(biāo)系統(tǒng)核心硬件為嵌入式主控制器，主要經(jīng)USB、UART 串口與DHT11 溫濕度傳感器（可輸出數(shù)字校準(zhǔn)信息號(hào)）、水流傳感器、降雨量傳感器、大氣壓強(qiáng)傳感器、能見(jiàn)度及水深傳感器、YGC-FX 風(fēng)速風(fēng)向傳感器（高強(qiáng)度材料、低延時(shí)）相連接。以風(fēng)向傳感器為例，其輸出為4 路5VTTL 開(kāi)關(guān)格雷碼，需要經(jīng)電阻分壓后降至3.5VTTL 電平，并送入單片機(jī)IO管腳；同時(shí)考慮到固定在航標(biāo)燈上的風(fēng)向標(biāo)極易跟隨航標(biāo)燈的漂移而旋轉(zhuǎn)。因此，為避免標(biāo)定方向變化，需要在硬件上添加一個(gè)電子CMPS04 羅盤(pán)模塊；能見(jiàn)度及水深傳感器自身帶有485 總線輸出，可以直接采用航標(biāo)蓄電池的6V 電壓提升至24V 供其與多功能航標(biāo)終端對(duì)接通信；全球衛(wèi)星定位模塊則采用功耗低、性能優(yōu)越的UBLOXNEO 芯片，包括USB、單排串口兩種方式，且可支持熱啟動(dòng)；電源模塊需要使用穩(wěn)壓電源LDO TPS56065 芯片，其具有高效率、低壓差的特點(diǎn)，可以將航標(biāo)燈上電池電壓降低至航標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行水平。

4.2 軟件開(kāi)發(fā)

基于現(xiàn)代智能技術(shù)的航標(biāo)系統(tǒng)軟件采購(gòu)結(jié)構(gòu)劃分方式，包括底層、中間層、上層三個(gè)層次。其中，底層組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)涵蓋了路由節(jié)點(diǎn)（搭載全球衛(wèi)星定位模塊）、主控節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)（搭載全球衛(wèi)星定位模塊），負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、組網(wǎng)；中間層組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)包括RISC 微處理器上的應(yīng)用程序，即客戶端傳感器采集、發(fā)送以及嵌入式Linux系統(tǒng)移植；上層程序主要負(fù)責(zé)基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)、監(jiān)聽(tīng)，即接收經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母鞴?jié)點(diǎn)航標(biāo)全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境信息（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)），并將其實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。

在底層紫蜂終端軟件設(shè)計(jì)階段，為了保障其在搭載各航標(biāo)時(shí)順利獲取航標(biāo)經(jīng)度及維度信息，可以利用自組網(wǎng)的方式，經(jīng)紫蜂路由節(jié)點(diǎn)，將全球衛(wèi)星定位模塊上承載的航標(biāo)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)發(fā)送到紫蜂網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。紫蜂組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣，對(duì)應(yīng)的應(yīng)用范疇也具有一定差異?；趦?nèi)河航道信息“多級(jí)跳”特點(diǎn)，本次采用具有自組織、自愈合功能的MESH 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。主控節(jié)點(diǎn)與嵌入式主機(jī)開(kāi)發(fā)板連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離交互；終端節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)，經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至主控節(jié)點(diǎn)，達(dá)到多層級(jí)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、全面、準(zhǔn)確采集的目的[4]。

在中層嵌入式客戶端設(shè)計(jì)階段，可以在RISC 微處理器架構(gòu)上進(jìn)行類(lèi)UNIX 操作系統(tǒng)搭建。并利用C語(yǔ)言，調(diào)用各接口，將風(fēng)速風(fēng)向、航標(biāo)經(jīng)緯度、溫濕度信息傳送至服務(wù)端。具體傳送程序主要依據(jù)Pthread多線程思維，經(jīng)創(chuàng)建線程互斥鎖→創(chuàng)建形成→設(shè)置串口參數(shù)→獲取航標(biāo)燈質(zhì)數(shù)據(jù)→獲取互斥鎖→設(shè)置串口參數(shù)→串口獲取參數(shù)→LCD 顯示串口數(shù)據(jù)流程，實(shí)現(xiàn)多個(gè)終端傳感器數(shù)據(jù)的連接與處理；并經(jīng)Socket 網(wǎng)絡(luò)編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)→服務(wù)器端的發(fā)送，在數(shù)據(jù)成功發(fā)送至服務(wù)器端后則可以順利解鎖。

在上層服務(wù)器端軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，需要運(yùn)用JavaSocket編程理念，配合select 多路復(fù)用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)嵌入式客戶端航標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送及多客戶端的同時(shí)監(jiān)聽(tīng)。其具體流程為：開(kāi)啟服務(wù)端→初始化Socket 服務(wù)端→Bind 綁定IP地址、端口號(hào)→啟動(dòng)Listen 監(jiān)聽(tīng)程序→文件描述符初始化為0→設(shè)置文件描述符→啟動(dòng)select 多路復(fù)用機(jī)制→等待客戶端連接請(qǐng)求→添加描述至連接描述符數(shù)組→小于最大文件描述符數(shù)時(shí)處理數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)→在PC 端顯示。需要注意的是，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)不僅包括航標(biāo)經(jīng)緯度信息，而且還包括航標(biāo)周邊礁石區(qū)、重點(diǎn)航道、淺灘等，需要在服務(wù)器端以編程的模式模擬對(duì)應(yīng)類(lèi)型的數(shù)字通道；隨后以內(nèi)河航道船舶的安全距離為安全評(píng)測(cè)依據(jù)，結(jié)合氣象環(huán)境參數(shù)，預(yù)先估測(cè)相向碰撞軌跡和結(jié)果，適時(shí)發(fā)出預(yù)先警報(bào)消息及解決方案。

5 內(nèi)河航道智能航標(biāo)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)測(cè)試

5.1 測(cè)試簡(jiǎn)述

鑒于現(xiàn)代智能技術(shù)應(yīng)用下的內(nèi)河航道航標(biāo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線運(yùn)行，功能模塊多種多樣，因此，可以硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，利用黑盒專(zhuān)用性測(cè)試手段，確定其在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的表現(xiàn)。同時(shí)利用恰當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法、工具，對(duì)系統(tǒng)終端軟件、硬件外設(shè)備配合協(xié)同度進(jìn)行測(cè)試。

5.2 測(cè)試步驟

內(nèi)河航道智能航標(biāo)系統(tǒng)測(cè)試包括模塊測(cè)試、硬件測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試幾個(gè)階段。

模塊測(cè)試需要在編程結(jié)束后，以穩(wěn)定硬件為基礎(chǔ)，在無(wú)其他可用數(shù)據(jù)傳遞模塊的情況下編寫(xiě)應(yīng)用測(cè)試程序，并對(duì)各程序單元是否與需求功能相符進(jìn)行逐一評(píng)測(cè)。比如，編寫(xiě)AD 程序，讀取工作電流、蓄電池電壓等。

硬件測(cè)試需要利用高精度電阻表、萬(wàn)用表、電壓表等工具，對(duì)各電路板、硬件模塊進(jìn)行逐一測(cè)試。比如電源管理模塊電壓是否處于正常水平、電流電壓轉(zhuǎn)換模塊是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)等。

系統(tǒng)測(cè)試需要面向整個(gè)軟硬件系統(tǒng)開(kāi)展測(cè)試，比如對(duì)航標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)期壓力測(cè)試并判定其長(zhǎng)時(shí)期工作平穩(wěn)性能等。具體測(cè)試時(shí)，可以利用白盒測(cè)試（根據(jù)源代碼組織結(jié)構(gòu)尋找軟件缺陷）、黑盒測(cè)試（根據(jù)硬件工作現(xiàn)象、程序功能尋找軟件缺陷）等不同方法，判定系統(tǒng)是否與規(guī)定要求相符合。

5.3 測(cè)試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)航標(biāo)系統(tǒng)終端各模塊、傳感器運(yùn)行情況進(jìn)行72h 測(cè)試，得出航標(biāo)系統(tǒng)終端各模塊、傳感器均處于正常運(yùn)行狀態(tài)，與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)要求相符；同時(shí)于當(dāng)月在淮河進(jìn)行200h 實(shí)地測(cè)試，得出系統(tǒng)、傳感器無(wú)異常，且數(shù)據(jù)編碼、傳送較為準(zhǔn)確、可靠，達(dá)到了預(yù)期系統(tǒng)開(kāi)發(fā)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于現(xiàn)代智能技術(shù)的內(nèi)河航道航標(biāo)系統(tǒng)，可以經(jīng)后臺(tái)服務(wù)端對(duì)航標(biāo)工作狀態(tài)、位置進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，切實(shí)實(shí)現(xiàn)智能化管理?；诖?，針對(duì)當(dāng)前航標(biāo)系統(tǒng)的弊端，可以選擇以ARM 主機(jī)、ZigBee、GPS 分別為主處理器、節(jié)點(diǎn)通訊器、定位裝置的嵌入式Linux（自由和開(kāi)放源碼的類(lèi) UNIX 操作系統(tǒng)）系統(tǒng)架構(gòu)；結(jié)合航標(biāo)的工作狀態(tài)進(jìn)行各航標(biāo)節(jié)點(diǎn)通訊組網(wǎng)，預(yù)先對(duì)航道軌跡進(jìn)行碰撞分析并制定防護(hù)策略，降低后期維護(hù)成本及人員工作壓力。