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基于无线传感器网络的智慧船舶系统
作者：姚建飞
来源：《电子世界》2013年第17期
【摘要】利用无线传感器网络替代有线的传感器节点进行相关设备的遥感监视和状态控制工作，能够有效的解决船舶布线空间狭窄施工困难等技术难点。同时对船舶自动化控制系统朝着分布式、网络型智能式系统方向演进起到促进作用。从而使船舶向无人机舱、驾机合一等方向的趋势发展最终实现智慧船舶。
【关键词】无线传感器；智慧船舶；物联网；zigbee 1.引言
随着电子技术、信息技术的飞速发展，船舶自动化程度的不断提高，船舶自动化控制系统正朝着分布式、网络型智能式系统方向演进，从而使船舶向无人机舱、驾机合一等方向的趋势发展最终实现智慧船舶。这使得对船舶上各种机器设备的控制要求越来越高，目前船舶上对温度、压力、转速、流量、位移等等的测量，大都还是采用传统的传感器，传统传感器在测量精度、传输性能等方面存在着这样那样的不足，这对船舶的安全可靠运行，造成了一定的影响。无线传感器网络能与计算机能方便连接，高速、高精度的传输数据。利用无线传感器网络替代有线的传感器节点进行相关设备的遥感监视和状态控制工作，能够有效的解决船舶布线空间狭窄施工困难等技术难点，同时还可以节约船用电缆的使用，降低工程成本。另外，利用船载终端设备无线传感网络系统，还可扩充停泊物品防盗功能、船舶载重状态功能、监测船舶设备运行状态监测功能、海洋水文调查功能等等。 2.无线传感网络概述
传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。
无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。因为节点的数量巨大，而且还处在随时变化的环境中，这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。
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首先是无中心和自组网特性。在无线传感器网络中，所有节点的地位都是平等的，没有预先指定的中心，各节点通过分布式算法来相互协调，在无人值守的情况下，节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心，网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。 其次是网络拓扑的动态变化性。网络中的节点是处于不断变化的环境中，它的状态也在相应地发生变化，加之无线通信信道的不稳定性，网络拓扑因此也在不断地调整变化，而这种变化方式是无人能准确预测出来的。
第三是传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输，虽然省去了布线的烦恼，但是相对于有线网络，低带宽则成为它的天生缺陷。同时，信号之间还存在相互干扰，信号自身也在不断地衰减，诸如此类。不过因为单个节点传输的数据量并不算大，这个缺点还是能忍受的。
第四是能量的限制。为了测量真实世界的具体值，各个节点会密集地分布于待测区域内，人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量，或者自己从外汲取能量（太阳能）。
第五是安全性的问题。无线信道、有限的能量，分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此，安全性在网络的设计中至关重要。 3.船舶电气自动化系统
近年来，国际上不仅船舶的辅机设备已大都采用电力驱动，而且船舶的主动力也有电力驱动的趋势。这一变化为实现船舶完全的电气化打下了坚实的基础。如今船舶电气化已发展为集机舱自动化、航行自动化、机械自动化、装载自动化等于一体的多功能综合系统。船舶电气自动化技术传统的、简单的机电式控制方式逐步被智能型、网络化、数字化的控制手段所取代。 Zigbee技术是近几年发展起来的一种近距离无线通信技术，最显著的特点就是低速率、低功耗、低成本、自配置和灵活的网络拓扑结构，并且网络容量大，安全可靠。目前在工业控制、能源管理、智能交通系统、智能建筑、家庭自动化等领域都得到了应用。
ZigBee网络协调器主要负责船舶机舱ZigBee 无线网络的建立以及网络的相关配置，接收终端节点数据信息，并转发上位机的控制命令给相应节点。ZigBee网络协调器以CC2430为核心，它包括了一个高性能的2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一个工业级小巧高效的8051控制器，能满足低成本、低功耗设计要求。
ZigBee节点分传感节点和路由节点，主要由传感器模块、处理器模块、ZigBee无线通信模块和电源供电模块组成。传感器模块负责各参数信息（模拟量、数字量）的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个节点工作；通讯模块负责与其他节点无线通讯，交换控制信息和收发采集数据；电源供电模块为节点供电。传感节点主要负责信息采集与处理，并把信息传送