基於無線傳感器網絡的智慧船舶係統
科研發展
作者：姚建飛
【摘要】利用無線傳感器網絡替代有線的傳感器節點進行相關設備的遙感監視和狀態控製工作，能夠有效的解決船舶布線空間狹窄施工困難等技術難點。同時對船舶自動化控製係統朝著分布式、網絡型智能式係統方向演進起到促進作用。從而使船舶向無人機艙、駕機合一等方向的趨勢發展最終實現智慧船舶。
【關鍵詞】無線傳感器；智慧船舶；物聯網；zigbee
1.引言
隨著電子技術、信息技術的飛速發展，船舶自動化程度的不斷提高，船舶自動化控製係統正朝著分布式、網絡型智能式係統方向演進，從而使船舶向無人機艙、駕機合一等方向的趨勢發展最終實現智慧船舶。這使得對船舶上各種機器設備的控製要求越來越高，目前船舶上對溫度、壓力、轉速、流量、位移等等的測量，大都還是采用傳統的傳感器，傳統傳感器在測量精度、傳輸性能等方麵存在著這樣那樣的不足，這對船舶的安全可靠運行，造成了一定的影響。無線傳感器網絡能與計算機能方便連接，高速、高精度的傳輸數據。利用無線傳感器網絡替代有線的傳感器節點進行相關設備的遙感監視和狀態控製工作，能夠有效的解決船舶布線空間狹窄施工困難等技術難點，同時還可以節約船用電纜的使用，降低工程成本。另外，利用船載終端設備無線傳感網絡係統，還可擴充停泊物品防盜功能、船舶載重狀態功能、監測船舶設備運行狀態監測功能、海洋水文調查功能等等。
2.無線傳感網絡概述
傳感器網絡實現了數據的采集、處理和傳輸三種功能。它與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。
無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，並最終把這些信息發送給網絡的所有者。
無線傳感器網絡可以看成是由數據獲取網絡、數據分布網絡和控製管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點，各節點通過協議自組成一個分布式網絡，再將采集來的數據通過優化後經無線電波傳輸給信息處理中心。因為節點的數量巨大，而且還處在隨時變化的環境中，這就使它有著不同於普通傳感器網絡的獨特“個性”。
首先是無中心和自組網特性。在無線傳感器網絡中，所有節點的地位都是平等的，沒有預先指定的中心，各節點通過分布式算法來相互協調，在無人值守的情況下，節點就能自動組織起一個測量網絡。而正因為沒有中心，網絡便不會因為單個節點的脫離而受到損害。
其次是網絡拓撲的動態變化性。網絡中的節點是處於不斷變化的環境中，它的狀態也在相應地發生變化，加之無線通信信道的不穩定性，網絡拓撲因此也在不斷地調整變化，而這種變化方式是無人能準確預測出來的。
第三是傳輸能力的有限性。無線傳感器網絡通過無線電波進行數據傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對於有線網絡，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時，信號之間還存在相互幹擾，信號自身也在不斷地衰減，諸如此類。不過因為單個節點傳輸的數據量並不算大，這個缺點還是能忍受的。
第四是能量的限製。為了測量真實世界的具體值，各個節點會密集地分布於待測區域內，人工補充能量的方法已經不再適用。每個節點都要儲備可供長期使用的能量，或者自己從外汲取能量（太陽能）。
第五是安全性的問題。無線信道、有限的能量，分布式控製都使得無線傳感器網絡更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此，安全性在網絡的設計中至關重要。
3.船舶電氣自動化係統
近年來，國際上不僅船舶的輔機設備已大都采用電力驅動，而且船舶的主動力也有電力驅動的趨勢。這一變化為實現船舶完全的電氣化打下了堅實的基礎。如今船舶電氣化已發展為集機艙自動化、航行自動化、機械自動化、裝載自動化等於一體的多功能綜合係統。船舶電氣自動化技術傳統的、簡單的機電式控製方式逐步被智能型、網絡化、數字化的控製手段所取代。
Zigbee技術是近幾年發展起來的一種近距離無線通信技術，最顯著的特點就是低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網絡拓撲結構，並且網絡容量大，安全可靠。目前在工業控製、能源管理、智能交通係統、智能建築、家庭自動化等領域都得到了應用。
ZigBee網絡協調器主要負責船舶機艙ZigBee 無線網絡的建立以及網絡的相關配置，接收終端節點數據信息，並轉發上位機的控製命令給相應節點。ZigBee網絡協調器以CC2430為核心，它包括了一個高性能的2.4GHzDSSS（直接序列擴頻）射頻收發器核心和一個工業級小巧高效的8051控製器，能滿足低成本、低功耗設計要求。