航标无线组网技术在湛江港的应用

张征

（南海航海保障中心湛江航标处，广东 湛江 524005）

0 引言

在进行充分的行业趋势分析并结合湛江航标处实际需求的基础上，经过信息调研、用户走访、立项论证，方案评审等环节，湛江航标处会同研发部门，启动了《航标无线组网系统》项目，经过紧锣密鼓的试验仿真、生产研制及测试优化等工作，于2017年5月11日，安装交付航标子网设备5套，经过19个月的实际运行验证，证明航标宽带自组网系统设计科学合理，设备质量稳定可靠，较好的支持航标组网的图像和数据的相关应用，同时，也存在一些不足。本文即对该项目的应用情况进行总结梳理[1-3]。

1 项目实施部署

2016年底，湛江航标处会同研发部门，经过方案论证，软件分析仿真及辅助器材对比优选的基础上，设计研制了初样设备，搭建起航标宽带自组网系统进行实际测试，通过实验室测试，室外拉距测试等试验，改进优化相关的设计参数。

在户外拉距试验时进行了四大类测试：

（1）信号联通状态实验：测试无线信号连通距离、信号强弱；

（2）视频通话信号源强弱、通话距离及质量、视频清晰度测试；

（3）天线性能比对的前期测试；

（4）装置机构太阳能充电储电时间测试。

2017年5月11日，优化后的设备搭建成航标宽带自组网系统，在湛江麻斜片区安装了5套设备，其中麻斜航标站站部2套，湛江港航道航标46#，D1，D2灯浮设备共3套。其中D1，D2设备有监控摄像头，其余的设备没有安装监控摄像头。本次验证的是航标子网自组网的情况，经过安装试运行，并经过实际19个月时间的实际运行验证，虽然还存在不少问题，但实验的初步目的已经达到，实现了自组网的图像传输[4]。

2 设备安装调试情况

航标子网设备是安装在航标上的，由于航标是转动的，对天线要求是全向天线。同时是海上的设备，需要解决供电，防腐蚀等问题如图2所示。设备采用的是防腐蚀的不锈钢316材料，同时采用密封设计，做相关的浸水试验如图3所示；同时电池采用的是高容量的，可以支持1000多次充放电的电池材料；摄像机镜头采用纳米材料覆盖，在海水有盐雾情况下，有一定的防护作用。

图1 系统框Fig 1 System block diagram

图2 航标上安装的效果Fig 2 Installation effect diagram of navigation mark

图3 内部的结构（包含传输模块，电池，摄像头，功放）Fig 3 Internal structure （including transmission module,battery, camera, power amplifier）

2.1 宽带组网设备的相关配置

（1）传输设备收发指标：

频率：采用2477Mhz，20Mhz频率占用。2.4G频段，有干扰。后面可能考虑增加1400Mhz（无人机图传频率）或900Mhz（民用）。

功率：1W；

传输带宽：1Mbps-300Mbps，速率可变，跟传输的距离有关，距离远，带宽就小；

天线增益：12dbi，辐射角度12度，所以在安装时尽量保证天线竖直；

传输距离：实测3km左右，空旷地带，不能有遮挡。

功耗：3W；

（2）电池指标：

容量：12V*80Ah；

体积：约18*18*22cm；

类型：三元锂电材料（后期改用石墨烯聚合物光伏储能电池包）。

（3）摄像头：

采用海康威视的PTZ系列摄像头；

像素：300万；

功耗：3W。

（4）摄像头客户端：海康威视iVMS-4200。

2.2 安装调试现场情况如图4所示

图4 麻斜养护中心灯塔上的无线组网设备Fig.4 Lighthouse wireless networking equipments of Maxie maintenance center

3 系统运行状态

安装部署好的系统运行后，通过系统回传的数据及图像，从功能上验证了设备的正常运行，效果良好。

3.1 安装初期系统运行状态如图5所示

图5 安装现场的回传照片Fig.5 Returned photos at installation site

3.2 一个月后系统运行状态如图6所示

图6 一个月后采集到的照片（手机拍摄）Fig.6 Photos collected after a month (Taken by mobile phone)

4 存在的不足

该系统运行以来，视频图像清晰，可提供现场图像等有关数据的应用，如应用于对现场碰撞航标船舶进行录像。但在实际使用当中，由于能源有限、海上更换能源困难等原因，还存在以下问题：

4.1 能源不足

该项目的试验目的是希望能够实现24小时实时监控，从而达到防撞防盗的功能。但是系统现有设备耗电量约为12瓦，而由于浮标上位置限制，硅板安装数量不足，能源供应无法满足设备24小时不间断工作需要。

4.2 缺少主动摄像功能

摄像设备工作需由操作人员在后台进行浏览操作，这种人工的被动式摄像，无法实现船舶碰撞发生时的现场抓拍。

4.3 通讯距离有待增强

该项目要实现海面上无线组网，依托的是浮标进行网络组建，但目前设备作用距离为2海里左右，这个距离属于最基本距离，而实际工作中，浮标间距最远要达到4-5海里，这样是无法实现无线组网的[5]。

4.4 现场操作复杂

灯架上设备操作复杂，进行设备巡检维护时，不利于操作。

5 后续有待优化项目

针对以上情况，提出以下几点优化意见：

（1）在能源方面引入新的、高效发电设备，如引入风力发电等，以弥补目前能源不足的缺陷。

（2）目前夜视需要开启红外功能，此功能会带来更大的能耗，不利用长期运转。为此，能否依托灯的能源做为红外能源，作为抓拍的灯光[6]。

（3）摄像头的选择，考虑更好更远可视距离及更低能耗摄像头。

（4）实现触发抓拍、录像功能，支持人工、自动两种模式。

（5）采用更大功率硅板。

（6）改善工艺，优化现场作业流程。

（7）在监控平台添加工作日志。

6 结论

根据在湛江港的应用分析，无线自组网系统基本能够达到我们的实验预期，即形成独立的自组网络，从而传输传统方法无法传输的数据，例如图像、视频等大数据。但配套的缺陷，使得其只能在小范围实现网络组建，但在实际应用中，无法满足需要[7-8]。随着科技的发展，新材料新技术的应用，会带来新的能源供给方式，希望能够解决存在的问题，从而实现浮标现场数据的快速传输，提供更优质的助航服务[9-10]。