基于4G物联网技术的无人船云控制系统设计与实现

徐海恩+项慧慧+邵星

摘要：针对当前无人船控制系统主要采用GPRS通信技术，导致只能传输简单控制数据及实时性较差的问题，基于云转发技术设计无人船云控制系统，并采用最新的4G技术作为无人船与地面控制中心之间的通信技术，以实现对无人船航线的控制及无人船工作状态的实时视频监控。对无人船性能测试以及在实际水域中对无人船控制系统测试的结果表明，该系统能实现对无人船的远程实时监控及管理等功能。

关键词：无人船；4G物联网技术；云转发；流媒体技术

DOIDOI：10.11907/rjdk.171812

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）006-0056-03

0 引言

无人船是一种集智能化、网络化、集成化、机动化、无人化于一体的新型小型水面自主航行交通工具，具有机动灵活、易操控、携带使用方便、易于开展实验、成本低、效率高、对监控环境要求低等特点，已被广泛应用于湖泊和內河水质监测[1]、湿地环境监测[2]、海洋环境监测[3]、水产养殖环境监控[4]、水下环境测量[5]等各种水域环境下民用和军用的诸多领域，具有广泛的应用前景。

无人船应用的关键是如何实现无人船在各种水域环境下的无人自主航行，其核心技术是远程运动控制技术[6]和无线通信技术。在无人船控制系统方面，国内已有不少高校和学者进行了相关技术研究。河北大学赵晓军等[7]基于DSP和GPRS技术设计了用于白洋淀湿地监测的无人船运动控制系统；山东大学李峰等[8]设计了用于湖泊水域监测的无人船水样采集系统，采用WiFi技术实现无人船与地面控制中心之间的通信；中国海洋大学的孙东平[9]及浙江大学的王魏等[10]设计了用于海洋监测的无人船远程控制系统，采用GPRS技术实现无人船与地面控制中心之间的通信。由此可见，当前无人船与地面控制中心的通信技术仍然以第二代移动通信技术——GPRS技术为主，虽然能够满足长距离作业需求，但只能传输简单数据，而无法满足无人船实时视频监控等较复杂应用场合对实时传输多媒体数据的需求，不利于地面控制中心对无人船的管理和调度。

相比于GPRS网络，高速率4G网络能更好地支持多媒体数据传输。采用4G技术作为无人船与地面控制中心间的通信技术，不但能极大拓展无人船的工作距离，而且能实现对无人船的远程实时视频监控。目前虽然已有学者设计了基于3G/4G的无人船远程控制系统[11-12]，但只是给出了系统设计框架，对视频监控系统设计及测试阐述较少。

因此，针对当前无人船控制系统由于以GPRS通信技术为主，导致控制系统实时性较差及无法适用于较复杂应用场合的问题，本文研究设计了一套基于4G物联网技术的无人船云控制系统，采用4G通信技术、流媒体技术和云转发技术实现对无人船的远程实时视频监控。通过本系统，操作人员只需在控制中心即可实现对无人船的远程控制。在无人船作业过程中，监控人员也可随时随地获取无人船作业状态的实时画面，了解作业进度和完成情况。

1 系统总体框架

本系统由无人船端、云服务器端和地面控制中心3部分组成，总体框架如图1所示。无人船首先通过GPS定位后，地面控制中心根据接收到的位置信息计算航线，并通过云服务器转发至无人船端。无人船接收到航线信息后进行自主航行作业。在自主航行过程中，无人船将当前的航向、航速、位置等信息通过云服务器转发至地面控制中心。同时，无人船的4G视频系统通过RTMP协议将实时作业视频发送至云服务器，地面控制中心访问云服务器获取无人船实时作业视频。

（1）无人船端。无人船通过GPS获取自身位置信息，采用4G通信技术将位置信息发送至云服务器端，经由云服务器端转发至地面控制中心。此后，无人船接收云服务器端转发的来自地面控制中心的航线信息进行自主航行，并在航行过程中通过云服务器将实时的航向、航速、位置等数据转发至地面控制中心。同时，无人船的4G视频系统通过RTMP协议将实时作业视频发送至云服务器端，供地面控制中心查看。

（2）云服务器端。本文基于阿里云提供的ECS云服务器设计了无人船云控制系统的云服务器端。弹性云服务器ECS（Elastic Cloud Server）是一种简单高效、可随时自主获取、处理能力可弹性伸缩的云服务器，具有可动态调整CPU、内存、硬盘和带宽等优点，为开发者提供了极大便利。

云服务器端主要用于转发实时控制数据和作业视频。采用云服务器转发模式，能够减少无人船端需要处理的数据量，降低能耗，延长电池工作时间。

（3）地面控制中心。地面站控制中心通过云服务器与无人船建立连接，将航线信息发送至无人船端，接收来自无人船的实时航向、航速、位置等信息，并可实时监控无人船的电量信息、作业状态及所在水域环境情况。

2 关键技术实现

2.1 无人船控制信息传输系统架构

无人船控制信息传输系统主要使用USR-LTE-7S4透传模块将地面控制中心的控制信息传输至无人船端，如图2所示。USR-LTE-7S4可以实现无人船端与云服务器端的双向透明数据传输，功能丰富，体积小巧，适合作为无人船的船载通信设备。使用网络透传模式收发数据，使用者无需关注无人船串口数据与网络数据包之间的转换过程，只需设置相关参数，即可实现无人船端与云服务器端之间的透明通信。

如图2所示，无人船上电运行后，GPS定位模块获取当前位置信息，通过USR-LTE-7S4以MavLink协议数据格式发送至云服务器，经由云服务器转发至地面控制中心。地面站控制中心根据无人船位置信息计算航线，通过云服务器以MavLink协议数据格式转发至无人船端。

2.2 无人船远程实时视频监控系统架构

无人船远程实时视频监控系统架构如图3所示。系统采用Hi3518E模块采集无人船实时作业视频，通过4G通信模块Quectel EC20上传至云服务器端，地面控制中心登录云服务器端即可实现对无人船的远程实时视频监控。

视频采集采用Hi3518E模块，支持H.264和MJPEG/JPEG编码，以RTMP协议格式将无人船作业视频上传至云服务器端。4G通信模块采用Quectel EC20模块，该模块支持多输入多输出技术（MIMO），具有较高的通信可靠性和良好的通信质量。云服务器端采用nginx-rtmp-module模块实现视频数据接收与转发功能。

3 系统测试与数据分析

对无人船控制系统的测试主要分为静态测试和动态测试。静态测试是在室内环境下测试视频监控功能及传输时延等通信性能；动态测试是在实地水域中测试整个系统的功能，包括无人船接收航线控制信息及自动航行任务、无人船远程实时视频监控任务以及在实际水域中的传输时延等通信性能。

3.1 静态测试

系统静态测试监控界面如图4所示。其中，左上角为云服务器数据转发过程，左下角为无人船传回的实时监控画面，右边为控制系统主界面。

在静态测试环境下，控制系统传输时延最低为248ms，最高334ms，如图5所示。由静态测试结果可以看出，基于4G通信技术的无人船控制系统的传输时延较低，能够完成对无人船远程实时监控的任务。

3.2 实地水域测试

测试水域为连云港市海州区西盐河，地面控制中心在连云港瑞云智能科技有限公司。地面控制中心上传航线并讓无人船自动执行此航线，控制界面如图6所示。

在此次实地水域测试作业中，控制系统的平均传输时延为0.5s，视频系统传输时延为1.5s，再次验证了本系统能够满足对无人船远程实时视频监控的要求。

4 结语

本文基于云服务器架构设计了无人船云控制系统，并采用4G物联网通信技术实现了地面控制中心与无人船之间的通信，通过4G透传模块将无人船航线等控制信息由地面控制中心传输至无人船接收端，同时采用4G视频传输模块和RTMP音视频传输协议将无人船实时作业视频传送至云服务器，以供地面控制中心查看及监控。由测试结果可以看出，本系统能够实现对无人船的远程实时控制及视频监控，从而极大地提高无人船的工作效率，并确保无人船航行安全，再结合传感器数据采集技术即可应用于水质监测、城市内河监测、海洋环境监测、湿地监测等各种水域环境下的应用场合，具有一定推广价值。

参考文献：

[1]罗刚，张然.无人监测船在城市内河水质监测中的应用[J].环境监控与预警，2017（1）： 18-20，31.

[2]绳丹.湿地无人船运动信息系统设计 [D].保定：河北大学，2016.

[3]金久才，张杰，邵峰，等.一种海洋环境监测无人船系统及其海洋应用[J].海岸工程，2015（3）： 87-92.

[4]孟祥宝，黄家怿，谢秋波，等.基于自动巡航无人驾驶船的水产养殖在线监控技术[J].农业机械学报，2015（3）： 276-281，260.

[5]陈立波，罗正龙，汪嵩.无人船水下测量系统及水下测量实验分析[J].城市勘测，2016（5）： 151-154.

[6]张浩昱，刘涛.一种微小型无人船控制系统设计及航向控制方法研究[J].计算机测量与控制，2017 （1）： 88-90，93.

[7]李瑞.基于DSP和GPRS的无人船运动控制系统设计 [D].保定：河北大学，2016.

[8]李峰.无人驾驶水样采集船关键技术研究 [D].济南：山东大学，2016.

[9]孙东平.无人船控制系统设计与实现 [D].青岛：中国海洋大学，2015.

[10]王魏.无人监测船远程控制系统的研究 [D].杭州：浙江大学，2014.

[11]沈航，韦燕华，陈超，等.无人船中控系统及远程监控系统的研究和设计[J].机电工程技术，2016（Z2）： 325-328.

[12]江丽君，邱铖铖，郑卫刚.基于互联网+的无人环保船舶系统设计与研究[J].变频器世界，2017 （1）： 96-97.

（责任编辑：黄 健）