专利名称：一种基于wsn及inmarsat-f的船舶安全远程实时监控系统的制作方法
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 INMARSATanternational 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ISDNantegrated 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hternet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641cbit/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 —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antranet)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hternet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。
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。
具体实施例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(dFP，dFS，(Imp, (Ims, dAP, dAS)，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dF船中平均吃水dfc船尾平均吃水dA ；dF = (dFP+dFS) /2 (m)；Clfc= (dMP+dMS)/2(m)；dA = (dAP+dAS) /2 (m)(1)船舶经拱垂修正后的平均吃水d ；d = (dF+6dfc+dA) /8 (m)(2)横倾角计算(参考图3)θ = arctan (tPS/B)(3)首尾吃水差tAF ；tAF = dF-dA ；(4)拱垂直 δ
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号H04W84/18GK102083169SQ201010147969
公开日2011年6月1日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者吴华锋, 周长青, 张超, 毛奇凰, 涂海飞, 陈心怡 申请人:上海海事大学