岳阳辖区航标遥观系统研发
周彩
摘要：在线观察航标高清图像，可以提高航标维护效率。根据长江航道航标维护管理工作特点与实际需求，提出了航标远程图像视频采集系统功能，设计了系统框架以及硬件结构，分析了系统开发的关键技术。系统设计方案有助于推动“互联网+”在航道维护技术中的应用，更好地发挥长江数字航道建设工程效用。
关键词：内河航道；浮标；遥测遥控；遥控遥观
中图分类号：U61 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）2-0045-04
航标遥测遥控终端系统是航道动态监测平台的前端信息采集与控制系统，集数据采集存储、无线数据通信、位置参数采集、以及无线扩展等功能于一体的遥测遥控平台，负责航标位移、航标灯状态、航标附属设备状态等工作情况的远程监测与控制，以及与航道动态监测平台数据库的数据同步。岳阳辖区在夏季经常出现水草堆积覆盖航标的情况，一线工作人员每日需要对有水草堆积的航标进行卸草，还要对其余航标进行巡视，工作强度较大，且部分航标会存在碰损、盗失的现象，故对航标的遥观，进行远程管理，能够减少不必要的巡航业务，提升工作效率。本文将在航标遥测遥控的基础上，设计遥观系统，摸索互联网+技术在航标维护管理中的应用。
1 航標遥观系统功能设计分析
1.1 系统需求分析
航标遥观系统是基于航标遥测终端的改进与提高，包括航道动态监测平台的前端信息采集与控制系统，集数据采集存储、无线数据通信、位置参数采集、以及无线扩展等功能于一体的遥测遥控平台，负责航标位移、航标灯状态、航标附属设备状态等工作情况的远程监测与控制，以及与航道动态监测平台数据库的数据同步。
1.2 系统组成
系统采用一体化设计。即航标遥测监控终端与太阳能一体化航标灯进行高度集成，形成航标灯、太阳能电池以及遥测监控终端的一体化。
航标遥测遥控终端系统各模块高度集成，RTU设备以及灯器控制器与蓄电池固定在一个壳体内部；航标遥测遥控终端共用航标灯的蓄电池和太阳能供电系统。RTU高度集成，采用卫星定位/通信二合一天线，天线固定在灯罩下面，无需暴露在航标灯外。太阳能充放电控制器集成在航标灯器控制器上，提高了产品的集成度，简化了安装接线。
航标遥观系统由航标遥测遥控终端RTU、航标灯嵌入式控制器、供电系统、遥观相机等构成，见图1。其中航标遥测遥控系统如图2所示由以下几部分组成：电源模块、ARM模块、GPS定位模块、4G通信模块、加速度模块、外扩flash模块、电压电流检测模块、状态指示灯模块、太阳能充电控制模块、485数据通信接口、485灯器通信接口、网络相机。另外还包含太阳能电池板、磷酸铁锂电池以及灯器板。
2 航标遥观系统设计
2.1岳阳航标遥观系统数据通信
根据本系统的网络情况，航标遥测遥控终端RTU基于默认的物联网的通用4G/3G/GPRS /GSM数据通道与航道动态监测平台进行数据交换，实现定时或主动报警等数据上报、远程遥测遥控的功能。当4G/3G/GPRS /GSM数据通信失败时，自动采用SMS短信方式通信，终端离线后的唤醒方式为使用呼叫和短信唤醒。
2.1.1 4G/3G/GPRS /GSM通信模式
采用4G/3G/GPRS通信模式时，终端拨号到4G/3G/GPRS /GSMVPN网络或公网，并向指定IP发起连接，连接成功后，向航道动态监测平台传输数据。航标遥测遥控终端数据交换示意图见图2。
根据航标遥测遥控系统的应用特点，航标遥测遥控终端RTU与航道动态监测平台间的通信可以选择SMS、TCP或UDP等多种承载方式；在采用IP作为网络层协议时，可根据实际网络通讯质量采用TCP或UDP方式。网络通讯质量较好时，优先选择TCP/IP协议作为传输层协议。另外，航标遥测遥控终端也具备接收和发送SMS通讯模式下的异步信息能力。
2.1.2 SMS通信方式
航标遥测遥控终端RTU与航道动态监测平台间的数据交换格式和传输管理采用SMS兼容方式。当GPRS、3G或4G网络出现异常状况而导致通信失败时，航标遥测遥控终端RTU可以自动切换，使用SMS短信方式通信，以保证数据在信号较差情况下仍可传输至航道动态监测平台。当4G/3G/GPRS /GSM网络恢复时终端RTU可自动从SMS短信方式切换回4G/3G/GPRS /GSM方式与航道动态监测平台进行数据交互。
本系统设计的数据通信模块主要由通信管理、协议处理和通信监测三个模块组成。通信管理模块主要负责所有与航道动态监测平台的业务交互流程。通信监测模块通负责监测4G/3G/GPRS /GSM通信事件，自动进行相关通信方式的切换，并将通信情况上报给通信管理模块。协议处理模块负责解析报文并组帧相关应答报文，同时处理数据信息后，按照数据交换标准打包数据。
2.2 通信监测模块设计
航标遥测遥控终端的通信畅通及稳定性对整个遥测遥控系统来说至关重要，而长时间采用SMS短信方式其资费要远高于4G/3G/GPRS /GSM方式，为确保通信稳定和费用低廉二者的统一，在RTU终端软件中设计了完善、稳定的通信监测模块，负责4G/3G/GPRS、SMS通信的自动切换、终端离线后的呼叫和短信唤醒。
2.2.1 4G/3G/GPRS /GSM和短信自动切换
在采用4G/3G/GPRS方式通信时，通信监测模块根据终端RTU与航道监测平台之间的数据交互过程中的丢包率、数据包重发次数、心跳连接失败次数、连接断开时间等4G/3G/GPRS通信相关参数的统计情况，准确判断当前4G/3G/GPRS网络性能优劣。当以上参数出现异常并达到4G/3G/GPRS连接已断开阈值时，通信监测模块主动将通信方式切换为SMS短信方式与监测平台保持数据通信。在使用SMS短信方式通信过程中，通信监测模块仍然定时尝试发起4G/3G/GPRS连接，一旦尝试采用4G/3G/GPRS重新稳定连接成功并与航道监测平台服务器数据交互成功，则监测模块即控制终端RTU从短信方式切换回4G/3G/GPRS通信方式，在确保数据通信稳定性的前提下有效的节省通信费用。
2.2.2 终端离线后的唤醒方式
终端离线后的唤醒方式为使用呼叫和短信唤醒。当终端处于下线状态，而终端服务通信平台需要终端上线处理业务的时候，终端服务通信平台下发远程唤醒命令。远程唤醒的一种方式是通过监测平台直接呼叫RTU的方式唤醒，还有一种是通过SMS承载下发远程唤醒的命令。远程唤醒命令为单向下行报文，承载报文为MANAGEMENT_TLV_REQ报文，报文内含请求TLV组CTRL_TLV_GROUP。TLV组内附远程控制命令0x1007，命令码为0x1强制登录，实现流程图如图3。
2.3 数据交换协议实现
航标遥测遥控终端RTU与航道动态监测平台间的数据交换完全遵循《长江航道数据采集系统技术要求》之“终端与数据平台交换协议”，即《长江航道数据采集系统信息传输流程及格式技术要求》。本方案由通信管理模块、协议处理模块负责实现该协议。通信管理模块负责所有与航道动态监测平台的业务交互。独立通信管理模块不仅是在软件程序的逻辑设计上更加清晰、合理，更可以保证终端与数据平台间高效、及时的数据响应。
协议处理模块负责解析报文，根据得到的命令类型代码（如表1），组帧相关应答报文。同时处理数据信息后，按照数据交换标准打包数据。
2.4 数据交换通道设计
本系统从软硬件方面保证多种2G/3G/4G无线模块的兼容性设计，支持基于通用GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、FDD-LTE的通信方式，同时可扩展Zigbee、AIS通信模块。
硬件设计上采用支持GSM、TD-SCDMA，WCDMA、TD-LTE、FDD-LTE 等多种通信模块管脚贴装兼容的印制板设计，因此从硬件上兼容以上多种通信模块的贴装替换。对于不能兼容管脚封装的模块，可设计接口兼容的通信部件进行替换。程序软件中具有多种模块的底层驱动支持，应用层采用透明传输设计，因此从应用程序代码上完全支持以上多种通信数据的处理。
2.5 可扩展性设计
航标遥测遥控终端RTU可扩展Zigbee模块，从而提供无线传感网络（WSN）接入方式。根据现场应用的需求，既可以作为WSN网关接入其他无线传感器节点，也可以作为节点，与WSN网关设备进行数据通信，作为一种补充的通信方式。本系统采用的Zigbee模块为Jennic公司的JN5139。JN5139是一系列低功耗低成本无线微控制器，适用于IEEE802.15.4和ZigBee的软件应用。该模块工作在2.4 GHz～2.5GHz频段，发射功率为19dBm，接收灵敏度为-100dBm，同时该模块还具备128位ABS加密的安全机制。
2.6 太陽能及供电系统设计
太阳能及供电系统为RTU的工作提供电力支持，RTU和航标灯共用一套电源。RTU供电系统为RTU的日常工作提供电力支持，主要由3.2V/150AH片状磷酸铁锂电池组（含电池管理电路）、6V/22W太阳能电池板（含保护装置）组成供电系统。电源采用一体化方案，由一套电源系统为航标灯、航标遥测遥控终端进行供电。考虑到系统的高度集成，将充放电控制器、航标灯器控制器内置在RTU内，从而简化了设备间的连线。
通过低功耗设计达到节能、省电的要求，采用大容量小体积的3.2V/150AH片状磷酸铁锂电池，可实现系统连续工作时间≥50天。
3 岳阳航标遥观系统实现与应用
系统主要包括航标遥观灯和航标遥观控制系统两部分组成，如图4示，航标终端安装于航标船上，其中一个摄像头对航标船前的缆绳进行监控，摄像头2对航标终端进行监控。航标会每天定时拍摄航标船的情况，远程传送至监控室，操作人员也可以根据实际需要，远程对航标进行拍照观察，也能直接观看实时视频，随时掌握现场情况。
通过将航标遥观系统安装到长江岳阳航道处示范应用以来如图5、图6所示，明显提高了其工作效率，减轻了巡航的工作强度，航标的遥观系统具有现实意义。
参考文献：
[1]吕永祥，基于无线传感网络的三峡库区变动回水区航道航标遥测遥控系统研究[J].水运工程，2013（03）：176-183.
[2]刘均辉，航标遥测遥控无线视频监控系统研究[D].大连海事大学， 2013.
[3]杨品福，长江航道基本要素信息采集与服务数据交换技术[J].水运工程，2013（05）：136-142.
[4]中华人民共和国交通运输部. JT/T 788-2010航标遥测遥控系统技术规范[S]. 北京，2010.
[5]《全国海区航标遥测遥控技术规范》海事局（海航测[2005]232号）.
[6]《长江航道数据采集系统技术要求》之“终端与灯器交换协议”（长江航道局）.
摘要：在线观察航标高清图像，可以提高航标维护效率。根据长江航道航标维护管理工作特点与实际需求，提出了航标远程图像视频采集系统功能，设计了系统框架以及硬件结构，分析了系统开发的关键技术。系统设计方案有助于推动“互联网+”在航道维护技术中的应用，更好地发挥长江数字航道建设工程效用。
关键词：内河航道；浮标；遥测遥控；遥控遥观
中图分类号：U61 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）2-0045-04
航标遥测遥控终端系统是航道动态监测平台的前端信息采集与控制系统，集数据采集存储、无线数据通信、位置参数采集、以及无线扩展等功能于一体的遥测遥控平台，负责航标位移、航标灯状态、航标附属设备状态等工作情况的远程监测与控制，以及与航道动态监测平台数据库的数据同步。岳阳辖区在夏季经常出现水草堆积覆盖航标的情况，一线工作人员每日需要对有水草堆积的航标进行卸草，还要对其余航标进行巡视，工作强度较大，且部分航标会存在碰损、盗失的现象，故对航标的遥观，进行远程管理，能够减少不必要的巡航业务，提升工作效率。本文将在航标遥测遥控的基础上，设计遥观系统，摸索互联网+技术在航标维护管理中的应用。
1 航標遥观系统功能设计分析
1.1 系统需求分析
航标遥观系统是基于航标遥测终端的改进与提高，包括航道动态监测平台的前端信息采集与控制系统，集数据采集存储、无线数据通信、位置参数采集、以及无线扩展等功能于一体的遥测遥控平台，负责航标位移、航标灯状态、航标附属设备状态等工作情况的远程监测与控制，以及与航道动态监测平台数据库的数据同步。
1.2 系统组成
系统采用一体化设计。即航标遥测监控终端与太阳能一体化航标灯进行高度集成，形成航标灯、太阳能电池以及遥测监控终端的一体化。
航标遥测遥控终端系统各模块高度集成，RTU设备以及灯器控制器与蓄电池固定在一个壳体内部；航标遥测遥控终端共用航标灯的蓄电池和太阳能供电系统。RTU高度集成，采用卫星定位/通信二合一天线，天线固定在灯罩下面，无需暴露在航标灯外。太阳能充放电控制器集成在航标灯器控制器上，提高了产品的集成度，简化了安装接线。
航标遥观系统由航标遥测遥控终端RTU、航标灯嵌入式控制器、供电系统、遥观相机等构成，见图1。其中航标遥测遥控系统如图2所示由以下几部分组成：电源模块、ARM模块、GPS定位模块、4G通信模块、加速度模块、外扩flash模块、电压电流检测模块、状态指示灯模块、太阳能充电控制模块、485数据通信接口、485灯器通信接口、网络相机。另外还包含太阳能电池板、磷酸铁锂电池以及灯器板。
2 航标遥观系统设计
2.1岳阳航标遥观系统数据通信
根据本系统的网络情况，航标遥测遥控终端RTU基于默认的物联网的通用4G/3G/GPRS /GSM数据通道与航道动态监测平台进行数据交换，实现定时或主动报警等数据上报、远程遥测遥控的功能。当4G/3G/GPRS /GSM数据通信失败时，自动采用SMS短信方式通信，终端离线后的唤醒方式为使用呼叫和短信唤醒。
2.1.1 4G/3G/GPRS /GSM通信模式
采用4G/3G/GPRS通信模式时，终端拨号到4G/3G/GPRS /GSMVPN网络或公网，并向指定IP发起连接，连接成功后，向航道动态监测平台传输数据。航标遥测遥控终端数据交换示意图见图2。
根据航标遥测遥控系统的应用特点，航标遥测遥控终端RTU与航道动态监测平台间的通信可以选择SMS、TCP或UDP等多种承载方式；在采用IP作为网络层协议时，可根据实际网络通讯质量采用TCP或UDP方式。网络通讯质量较好时，优先选择TCP/IP协议作为传输层协议。另外，航标遥测遥控终端也具备接收和发送SMS通讯模式下的异步信息能力。
2.1.2 SMS通信方式
航标遥测遥控终端RTU与航道动态监测平台间的数据交换格式和传输管理采用SMS兼容方式。当GPRS、3G或4G网络出现异常状况而导致通信失败时，航标遥测遥控终端RTU可以自动切换，使用SMS短信方式通信，以保证数据在信号较差情况下仍可传输至航道动态监测平台。当4G/3G/GPRS /GSM网络恢复时终端RTU可自动从SMS短信方式切换回4G/3G/GPRS /GSM方式与航道动态监测平台进行数据交互。
本系统设计的数据通信模块主要由通信管理、协议处理和通信监测三个模块组成。通信管理模块主要负责所有与航道动态监测平台的业务交互流程。通信监测模块通负责监测4G/3G/GPRS /GSM通信事件，自动进行相关通信方式的切换，并将通信情况上报给通信管理模块。协议处理模块负责解析报文并组帧相关应答报文，同时处理数据信息后，按照数据交换标准打包数据。
2.2 通信监测模块设计
航标遥测遥控终端的通信畅通及稳定性对整个遥测遥控系统来说至关重要，而长时间采用SMS短信方式其资费要远高于4G/3G/GPRS /GSM方式，为确保通信稳定和费用低廉二者的统一，在RTU终端软件中设计了完善、稳定的通信监测模块，负责4G/3G/GPRS、SMS通信的自动切换、终端离线后的呼叫和短信唤醒。
2.2.1 4G/3G/GPRS /GSM和短信自动切换
在采用4G/3G/GPRS方式通信时，通信监测模块根据终端RTU与航道监测平台之间的数据交互过程中的丢包率、数据包重发次数、心跳连接失败次数、连接断开时间等4G/3G/GPRS通信相关参数的统计情况，准确判断当前4G/3G/GPRS网络性能优劣。当以上参数出现异常并达到4G/3G/GPRS连接已断开阈值时，通信监测模块主动将通信方式切换为SMS短信方式与监测平台保持数据通信。在使用SMS短信方式通信过程中，通信监测模块仍然定时尝试发起4G/3G/GPRS连接，一旦尝试采用4G/3G/GPRS重新稳定连接成功并与航道监测平台服务器数据交互成功，则监测模块即控制终端RTU从短信方式切换回4G/3G/GPRS通信方式，在确保数据通信稳定性的前提下有效的节省通信费用。
2.2.2 终端离线后的唤醒方式
终端离线后的唤醒方式为使用呼叫和短信唤醒。当终端处于下线状态，而终端服务通信平台需要终端上线处理业务的时候，终端服务通信平台下发远程唤醒命令。远程唤醒的一种方式是通过监测平台直接呼叫RTU的方式唤醒，还有一种是通过SMS承载下发远程唤醒的命令。远程唤醒命令为单向下行报文，承载报文为MANAGEMENT_TLV_REQ报文，报文内含请求TLV组CTRL_TLV_GROUP。TLV组内附远程控制命令0x1007，命令码为0x1强制登录，实现流程图如图3。
2.3 数据交换协议实现
航标遥测遥控终端RTU与航道动态监测平台间的数据交换完全遵循《长江航道数据采集系统技术要求》之“终端与数据平台交换协议”，即《长江航道数据采集系统信息传输流程及格式技术要求》。本方案由通信管理模块、协议处理模块负责实现该协议。通信管理模块负责所有与航道动态监测平台的业务交互。独立通信管理模块不仅是在软件程序的逻辑设计上更加清晰、合理，更可以保证终端与数据平台间高效、及时的数据响应。
协议处理模块负责解析报文，根据得到的命令类型代码（如表1），组帧相关应答报文。同时处理数据信息后，按照数据交换标准打包数据。
2.4 数据交换通道设计
本系统从软硬件方面保证多种2G/3G/4G无线模块的兼容性设计，支持基于通用GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、FDD-LTE的通信方式，同时可扩展Zigbee、AIS通信模块。
硬件设计上采用支持GSM、TD-SCDMA，WCDMA、TD-LTE、FDD-LTE 等多种通信模块管脚贴装兼容的印制板设计，因此从硬件上兼容以上多种通信模块的贴装替换。对于不能兼容管脚封装的模块，可设计接口兼容的通信部件进行替换。程序软件中具有多种模块的底层驱动支持，应用层采用透明传输设计，因此从应用程序代码上完全支持以上多种通信数据的处理。
2.5 可扩展性设计
航标遥测遥控终端RTU可扩展Zigbee模块，从而提供无线传感网络（WSN）接入方式。根据现场应用的需求，既可以作为WSN网关接入其他无线传感器节点，也可以作为节点，与WSN网关设备进行数据通信，作为一种补充的通信方式。本系统采用的Zigbee模块为Jennic公司的JN5139。JN5139是一系列低功耗低成本无线微控制器，适用于IEEE802.15.4和ZigBee的软件应用。该模块工作在2.4 GHz～2.5GHz频段，发射功率为19dBm，接收灵敏度为-100dBm，同时该模块还具备128位ABS加密的安全机制。
2.6 太陽能及供电系统设计
太阳能及供电系统为RTU的工作提供电力支持，RTU和航标灯共用一套电源。RTU供电系统为RTU的日常工作提供电力支持，主要由3.2V/150AH片状磷酸铁锂电池组（含电池管理电路）、6V/22W太阳能电池板（含保护装置）组成供电系统。电源采用一体化方案，由一套电源系统为航标灯、航标遥测遥控终端进行供电。考虑到系统的高度集成，将充放电控制器、航标灯器控制器内置在RTU内，从而简化了设备间的连线。
通过低功耗设计达到节能、省电的要求，采用大容量小体积的3.2V/150AH片状磷酸铁锂电池，可实现系统连续工作时间≥50天。
3 岳阳航标遥观系统实现与应用
系统主要包括航标遥观灯和航标遥观控制系统两部分组成，如图4示，航标终端安装于航标船上，其中一个摄像头对航标船前的缆绳进行监控，摄像头2对航标终端进行监控。航标会每天定时拍摄航标船的情况，远程传送至监控室，操作人员也可以根据实际需要，远程对航标进行拍照观察，也能直接观看实时视频，随时掌握现场情况。
通过将航标遥观系统安装到长江岳阳航道处示范应用以来如图5、图6所示，明显提高了其工作效率，减轻了巡航的工作强度，航标的遥观系统具有现实意义。
参考文献：
[1]吕永祥，基于无线传感网络的三峡库区变动回水区航道航标遥测遥控系统研究[J].水运工程，2013（03）：176-183.
[2]刘均辉，航标遥测遥控无线视频监控系统研究[D].大连海事大学， 2013.
[3]杨品福，长江航道基本要素信息采集与服务数据交换技术[J].水运工程，2013（05）：136-142.
[4]中华人民共和国交通运输部. JT/T 788-2010航标遥测遥控系统技术规范[S]. 北京，2010.
[5]《全国海区航标遥测遥控技术规范》海事局（海航测[2005]232号）.
[6]《长江航道数据采集系统技术要求》之“终端与灯器交换协议”（长江航道局）.
