CN102083169A - 一种基于wsn及inmarsat-f的船舶安全远程实时监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于WSN及INMARSAT-F的船舶安全远程实时监控系统，整个系统由船舶无线传感器网络、船载网络终端、INMARSAT-F站、海事卫星及地面站构成；船舶无线传感器网络通过遍布船舶舱室及船底的传感器，检测与船舶安全有关的各项参数，船载网络终端用以传输、计算、处理网络所检测的数据，INMARSAT-F用以将必要的信息通过海事卫星传给地面站。此发明能够实现远程实时监控船舶状态、实时获取监控区域的相关数据，从而及早发现船舶隐患，采取措施以防患于未然。借此可以极大地提高船舶的安全系数，更好地保证船舶的人员和财产安全，为“航行更安全，海洋更清洁”提供更好的保障。

Description

一种基于WSN及INMARSAT-F的船舶安全远程实时监控系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及无线传感器网络应用技术、海事卫星通信技术领域。

背景技术

国际海事卫星INMARSAT(International Maritime Satellite)作为一个移动卫星通信系统经过20多年的发展，已经为海上、陆地和航空领域的用户提供了多种移动卫星通信服务，在实际通信中发挥了重要的作用。

INMARSAT-Fleet(国际海事卫星组织推出的一种最先进的移动卫星通信系统，通常缩写为INMARSAT-F)系统的投入使用，把移动综合业务数据网ISDN(Integrated Service Data Network)和移动数据包业务MPDS(Mobile PacketData Service)技术用于海上移动通信，海上用户可方便迅速地与其所属公司或其他陆上用户建立、保持可靠的通信连接。海上INMARSAT-F终端可通过移动ISDN同时进行高质量的话音通信及高速的传真和数据通信，实现双信道同时通信。

另外，利用MPDS功能可在线实时连接到INMARSAT，从而使移动卫星用户利用INMARSAT-F终端实现真正意上的进入Internet网络，达到与LAN或WAN直接互连的目的。

移动ISDN利用标准的ISDN接口技术把现有的移动卫星通信功能有机地联系在一起，它以全双工的形式发射文件和数据，传输速率是64kbit/s。INMARSAT-F对移动ISDN信道进行了速率和容量标准的再定义，使其可以同时进行多种方式的通信，并可以和陆地的ISDN网建立连接。移动ISDN特别适用于数据密集的通信。例如海图更新和批量的电子文件传送等。而且这种通信连接不受距离的限制，是种非常灵活的、高效的移动通信方式。

MPDS是INMARSAT Fleet系统新增加的业务功能，它能使INMARSAT-F移动终端直接进入Internet，进行电子邮件发送、网页(web)浏览和网上聊天等，还可以连接企业网(Intranet)，实施各种商业活动。MPDS使海上移动用户成为LAN或WAN上的一个接点，始终保持在线连接，并且不影响其它方式通信。这就使陆地公司在任何办公环境下都可对船舶加强专业化的海上管理，实现实时的网络化的信息传送。需要特别强调的是，虽然海上用户利用MPDS一直保持在线连接，但是它是非常经济的。因为这种业务的资费是按照用户收发的数据量计算的，而不是按照通信时间收费的。因此在INMARSAT Fleet业务中不必再有电传通信功能，通过网络的接入，可方便地实现文件的快速和经济的传输，比传统的电传文件传送将有效地节省通信资费。

以快速网络通信和高质量话音通信为基础的INMARSAT F-77，将是用于海上用户最有效的通信终端，具有非常大的应用潜力。通过它可实现以下主要功能：1)实时批量地发送商业和私人电子函件；连接到企业网(Intranet)和相关的数据库。2)图文遥控监视；存储转发视频和文件；实时视频会议。3)通过Internet接人万维网(WWW)，实现网页浏览与电子邮件的收发。4)港口泊位信息的查询与预定；电子贸易与在线物料采购。5)海图与航行信息更新；现代化的水文气象报告。6)有效地用于GMDSS的遇险和安全通信

无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)由部署在检测区内大量的廉价微型节能传感器节点组成，通过无线通信方式以自组织的形式形成网络系统，其目的是协同的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，接受命令并与控制中心交换有关现实世界的信息。如果说互联网构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物质世界融合在一起，改变人与自然界的交互方式。无线传感器网络被美国商业周刊列为21世纪最有影响的改变世界的十大技术之一。还被麻省理工学院(MIT)技术评论列为全球未来的三大高科技产业。

无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、加速度和方向等信息及周边环境。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。在军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域都已经有所应用。

发明内容

本发明提供一种基于WSN及INMARSAT-F的船舶安全远程实时监控系统，实现在船舶上的安全监控自动化、实时化。本发明能够实现远程实时监控船舶状态、实时获取监控区域的相关数据。这样既能减少不必要的人员伤亡又能够让管理人员实时掌握感兴趣的数据，大大减小了危害发生的可能性，提高船舶安全管理水平。

整个系统由船舶无线传感器网络、船载网络终端、INMARSAT-F站、海事卫星及地面站构成。船舶无线传感器网络是整个系统的基础部分，通过遍布于船舶甲板、舱室、船底以及各种关乎船舶安全的船舶结构和设备中的传感器，检测与船舶安全有关的各项参数，船载网络终端用以计算、处理和显示网络所检测的数据，INMARSAT-F站用以将必要的信息通过海事卫星传递与地面站。从而实现船舶安全的远程实时监控。(见图1)

在船舶INMARSAT-F站我们接入无线传感器网络终端以及GPS信息，并将这些信息进行整合，当有必要时将船舶当时的安全状态发送至岸上站台以供陆上管理人员实时掌握船舶动态。

无线传感器网络使用基于分层的树形结构体系，在这种结构体系中节点被划分为不同级别的子网络，每层分别对应各级的划分区域。在船舶的每个舱室的检测部位安置相应的传感器节点并通过编号的方式以供定位。在各子网络中分为底层节点、中心节点等，数据通过网络的最优路径层层传输给网关节点，经网关节点转换传输协议后将数据传递给传感器网络的处理终端。分部在各个舱室的各类传感器，如：温度，湿度，烟雾，氧气含量，危险气体含量等，能够将关系船舶的防火、防爆、防止货物出汗等相关数据实时的传输至网络终端以供管理人员参考。

安装在遍布于船底的(水压)传感器可以测量其所在部位的水压数据，终端在获取数据后进行相关计算可以算出以上部位的吃水深度，结合加速度传感器、压力传感器等，进一步计算获得横倾角、稳性高度值、横摇周期、船舶总体强度等进而利用软件勾勒出船舶当时的三维效果，达到实现实时监控船舶状态的目的。

在船舶的每个舱室的检测部位数据的采集：基层节点轮番定时休眠、定时采集数据，或应某些事件(比如温度过高或冲击力过大)驱动进行数据采集，并将数据传输到上层中心节点，中心节点具有一定的存储及数据融合能力，比如底层的簇头节点可以将多个基层节点传来的信息进行初步处理(最大值、最小值、平均值等)，以减少数据的冗余。

中心节点能够将不同类型的数据(如温度、湿度、含氧量等)分不同时间发送，例如：舱室内温湿度信息在每个整点发送一次，含氧量信息每个半点发送一次。这种方法既能够使得终端获得相对实时的数据又能达到减少耗能降低网络拥堵的问题。当传感器采集的数据指标超过阈值时则可以进行主动发送，通过网络的多跳路由将信息传至终端。而且此无线传感器网络具有主动查询功能，即网络终端可以通过发送询问命令的方式主动“索取”数据。

有益效果

本发明实施无线传感器网络设计使用基于分层的树形体系结构，这种网络结构正好适合船舶分舱室的结构特点，以各个舱室及划分区域来确定底层的子网络结构，而在不同子网络内的底层节点之间没有相互之间的信息传输，每个节点只对它的上级节点负责，可以减少不必要的能耗，起到极大的节能作用。但是从底层的上一层开始节点又以对等的方式连接在一起，这种对等的网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。这样既能够减少信息的传输提高底层节点的工作寿命又能通过相对优化的传输路径传递信息。在驾驶台设置本系统的终端用以接收处理从网络传来的信息，并且设置显示及自动报警装置，当某些参数超过一定的限值时能够自动报警。INMARSAT-F又可以将无线传感器网络获取的数据进行整合发送给陆上安全管理部门，对于船舶安全、消防安全、货物安全都具有十分重要的意义。本发明能够实现远程实时综合监控船舶状态、实时获取监控区域的相关数据，从而及早发现船舶隐患，采取措施以防患于未然。借此可以极大地提高船舶的安全系数，更好地保证船舶的人员和财产安全，为“航行更安全，海洋更清洁”提供更好的保障。

附图说明

下面结合附图与实施案例进一步说明本发明。

图1本发明系统示意图；

图2无线传感器网络结构示意图；

图3船舶横倾角计算示意图；

图4无线传感器网络终端界面示意图。

具体实施方式

下面通过一个实施案例，进一步说明本发明。

本发明实施例提供一种基于WSN及INMARSAT-F的船舶安全远程实时监控系统。本发明设计将船舶的监控区域逐级进行区域划分，让无线传感器网络分层对应于各级的划分区域，网络内节点根据其所在的位置特点编号。网络使用基于分层的树形体系结构，在这种体系结构中节点被划分为不同的层，网络的最小子网络内部节点以星形方式连接，中心节点负责将其成员的数据转发到汇聚节点。

这种对等的网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。在驾驶台设置本系统的终端存储接收从舱室传来的信息，并且设置自动报警装置，当某些参数超过一定的限值时能够报警。(无线传感器网络结构示意图2)

在船舶底部布置大量水压传感器节点并通过有线方式将各部位的水压数据传给甲板部信息收发器以连入无线传感器网络，最终将数据传给网络的终端。经过水压与吃水深度的计算转换获取船底的吃水值，就能够三维刻画出当时船舶的态势，进而计算出船舶当时的平均吃水、最大吃水部位、横倾角、船舶拱垂直等。而在船舶两侧布置的加速度传感器可以感应船舶横摇的周期，利用此数据我们能够得到船舶当时的稳性高度值。具体实施如下：

船舶状态监控：我们设计在船舶底部的前中后、左中右均安装水压传感器利用水压值计算出船舶至少六个部位的吃水深度(d_FP，d_FS，d_MP，d_MS，d_AP，d_AS)，通过这些吃水深度我们能够精确计算出船舶当时的平均吃水、首尾吃水差、横倾角、拱垂直等数据。

计算测定的船首平均吃水d_F船中平均吃水d_Mm船尾平均吃水d_A；

d_F＝(d_FP+d_FS)/2(m)；

d_Mm＝(d_MP+d_MS)/2(m)；

d_A＝(d_AP+d_AS)/2(m)

(1)船舶经拱垂修正后的平均吃水d；

d＝(d_F+6d_Mm+d_A)/8(m)

(2)横倾角计算(参考图3)

θ＝arctan(t_PS/B)

(3)首尾吃水差t_AF；

t_AF＝d_F-d_A；

(4)拱垂直δ

d_ml＝(d_F+d_A)/2； $\mathrm{\δ}=\frac{3}{4}(d_{\mathrm{Mm}}-d_{\mathrm{Ml}})$

当船体纵向受力处于有利状态；

当，

船体纵向受力处于允许状态；

当

船体纵向受力处于极限状态；

当

船体纵向受力处于危险状态；(L_bp表示船舶首尾柱间长)

船舶装载后的拱垂直在正常范围内(有利、允许)，则可以开航；拱垂直在极限值范围内，只允许在预计航线天气较好时开航；拱垂值接近危险值，则不允许开航。

我们设计在船舶的左右舷安装加速度传感器，通过计算横向加速度变化的周期则能够检测船舶横摇的周期T_θ。因为船舶吃水d和稳性有

关，即

所以我们可以根据船舶航行中测得的横摇周期查给定船舶的T_θ和曲线图得到船舶的稳性高度

以上数据的计算在我们得到船舶六个部位吃水及船舶横摇周期后均可在终端计算机计算得到。通过此方法我们可以在船舶装货时实时掌握其吃水、横倾、纵倾、纵向强度等，以提高装货效率提高船舶安全系数。重大件货物的正确积载对船舶的稳性、船舶在海上安全运输具有十分重要的意义，由于船舶在海上运输常常会遇到恶劣的天气，出现摇摆等。货物很有可能出现偏移，这对船舶的稳性极为不利。因此我们在船舶航行中通过实时掌握船舶的横摇周期、稳性高度来实时掌握船舶的运动状态。当摇摆周期出现异常时及早检查是否有货物移动，及早采取措施处理，具有重要意义。

本发明实施例中，在其他方面：

1、消防：船舶非常容易发生火灾，而且造成的损失巨大。这是因为船舶载运的货物复杂，储存环境恶劣，并且不易得到外援。因此在船舶上防火安全显得尤为重要，本发明所设计的网络将船舶的各个舱室及生活区划分成不同的子网络。在网络中安装传感器节点可以测量舱室内的诸如温度、湿度、氧气含量、烟雾等传感器，这样可以通过传感器网络将这些与防火有关的数据实时的传输给驾驶台终端，管理者可以掌握这些数据及时采取必要的措施防止火灾的发生。当不幸已经发生火灾时，传感器节点也可以承受住恶劣的环境将火灾现场的必要数据传出，从而降低传统人员探火的风险。

2、危险品船舶安全监控：LNG LPG等船舶上的危险区域非常大且危险程度相当巨大，其安全防控措施必须做到万无一失，否则后果不堪设想。气温是比较特殊而重要的因素，过高的气温对于空载油轮是较大的威胁，因油仓内残余的油料受高温而汽化，在与仓内的空气混合至一定比例时极易引起燃烧爆炸：过低气温的影响会降低燃料的流动性，使内燃机的启动和运行受到威胁，过低的气温对通讯和启动备用设备的蓄电池也有威胁。因此我们设计利用本网络系统监控危险舱室内的相关安全数据，例如舱室内的温度、含氧量、爆炸气体的含量等，及时传输给船舶管理人员进而及早采取措施将危险消除在萌芽状态，其意义重大。

3、货物储存：绝大多数海上运输的货物都要保证适当的温湿度，因此我们可以通过布置在舱内以及必要的货物中间布置传感器节点及时知晓舱内的温湿度，当舱内温度不适宜货物存放，我们可以进行通风等适当的处理，保证舱内的温湿度，减少由于温湿度的问题引起货损货差。

4、其他：本系统还可以监控舱室内的氧气等的气体含量，当舱室内的氧气含量过低时，船员进去舱室将会发生缺氧窒息危及船员的身命安全。例如，运输粮食时，由于粮食会发生呼吸作用，因此当舱内通风没有做好时，及其可能导致舱内氧气含量太低。当这种情况发生时，通过本系统，我们可以及时获知，避免人员进入舱室，并进行适当的通风处理排除危险。

在本系统中，所使用的射频通信为全球公开的免费2.4GHz的ISM频段，采用的通信标准为802.15.4/Zigbee标准。本系统所采用的信息处理系统基于ZigBee07-PRO/RF4CE开发系统。系统提供的数据传输系统由两部分通信协议设计组成：RS一485通信方式、ZigBee无线通信的方式。

中心节点与监测计算机之间的通信采用RS一4855双向、半双工通信协议。为了避免多个中心在同一时间发送数据而导致竞争，所有的通信过程由监测计算机控制，采用上位机主导的命令/响应方式.。RS一485总线通信距离可达到1200M；传感器节点与中心节点的通信采用无线通信方式，传感器节点与中心节点的距离可以达到200M。

中心节点与传感器节点之间采用ZigBee无线通信的方式，一个中心节点可以与多个传感器节点进行通信。可避免多个传感器节点在同一时间发送数据而产生冲突。

传感器节点由传感器单元、处理单元、无线收发单元和电源单元组成，如附图4所示，传感单元用于感知、获取监测区域内的信息，并将其转换成为数字信号，它由传感器和数/模转换模块组成；处理单元负责控制和协调节点各部分的工作，存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据，它由包括处理器、存储器等嵌入式系统构成；无线收发单元负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据，它由无线收发模块组成；电源采用微型电池能够为传感器节点提供正常工作所必需的能量。

由于传感器节点采用电池供电，一旦电能耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度的节约电能，在硬件设计方面，我们采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源；在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心。

我们在收集了船舶监控区域的数据之后我们要采取相应的措施降低船舶危险或保护货物。本发明设计终端具有强大的数据处理能力并能有查询、报警、提供操作建议等功能(终端界面示意图见如图4)。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (6)

1.一种基于WSN及INMARSAT-F的船舶安全远程实时监控系统，其特征在于：系统由船舶无线传感器网络、船载网络终端、INMARSAT-F站、海事卫星及地面站构成；船舶无线传感器网络通过遍布于船舶甲板、舱室、船底以及各种关乎船舶安全的各种船舶结构和设备中的传感器，检测与船舶安全有关的各项参数，船载网络终端用以计算、处理和显示网络所检测的数据，INMARSAT-F站用以将必要的信息通过海事卫星传递与地面站。

2.根据权利要求1所述的监控系统，其特征在于：所述的INMARSAT-F站接入无线传感器网络终端以及GPS信息，并将这些信息进行整合，当有必要时将船舶当时的安全状态发送至岸上站台以供陆上管理人员实时掌握船舶动态。

3.根据权利要求1所述的监控系统，其特征在于：所述的无线传感器网络使用基于分层的树形结构体系，在这种结构体系中节点被划分为不同级别的子网络，每层分别对应各级的划分区域；在船舶每个舱室的检测部位安置相应的传感器节点并通过编号的方式以供定位；在各子网络中分为底层节点、中心节点等，数据通过网络的最优路径层层传输给网关节点，经网关节点转换传输协议后将数据传递给传感器网络的处理终端。

4.根据权利要求1所述的监控系统，其特征在于：所述的遍布于船底的传感器可以测量其所在部位的水压数据，终端在获取数据后进行相关计算可以算出以上部位的吃水深度，结合加速度传感器、压力传感器等，进一步计算获得横倾角、稳性高度值、横摇周期、船舶总体强度等进而利用软件勾勒出船舶当时的三维效果，达到实现实时监控船舶状态的目的。

5.根据权利要求3所述的监控系统，其特征在于：所述船舶的每个舱室的检测部位数据的采集，基层节点轮番定时休眠、定时采集或应事件驱动采集数据，将数据传输到上层中心节点，中心节点具有一定的存储及数据融合能力，将不同类型的数据分不同时间发送，使得终端获得相对实时的数据；当传感器采集的数据指标超过阈值时则可以进行主动发送，通过网络的多跳路由将信息传至终端。

6.根据权利要求3所述的监控系统，其特征在于：所述的传感器节点由传感器单元、处理单元、无线收发单元和电源单元组成；传感单元由传感器和数/模转换模块组成；处理单元由包括处理器、存储器等嵌入式系统构成；无线收发单元由无线收发模块组成；电源采用微型电池。

Images