基于LoRa技术的智能航标监管系统设计与实现

蔡梦扬 宋庭新

摘要：为了改善传统航标管理方式中管理效率低下及管理成本较高等缺点，针对传统内河航道的航标设计了一种基于LoRa技术的智能航标监管系统。采用RasberryPi和Linux嵌入式系统采集水文气象信息和航标地理信息，采用基于LoRa技术的网关，使用4G网络实现与远程监控系统之间的数据传输，实现了水文气象信息和航标位置实时监测以及航标智能化管理，一定程度上提高了航标管理效率，同时降低了管理成本。

关键词：LoRa技术;航标;GPS定位;监管系统;网络节点

DOI： 10. 11907/rjdk.191749

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319

文献标识码：A

文章编号：1672-7800（2020）004-0143-04

The Design and Implementation of Intelligent Navigation Mark Supervisory System

Based on LoRa Technology

CAI Meng-yang， SONG Ting-xm

（School of Mechanical Engineering ， Hubei Univer.sity of Technology ， Wuhan 430068.ChirLa ）Abstract： In order to improve the shortcomings of low efficiency and high cost of management in traditional navigation mark manage-ment mode， this paper designs an intelligent navigation mark monitoring system based on LoRa technology for traditional navigationmark of' inland waterway. RasberryPi and Linux embedded system are used to collect hydrometeorological information and geographicinformation of' navigation mark， and a gateway based on LoRa technology is adopted. The data transmission between remote monitoringsystem and 4G network is realized. Real-time monitoring of hydrometeorological information and navigation mark position and intelli-gent management of navigation mark are realized. To a certain extent， it not only improves the manageruent efficiencv of'the buo， butalso reduces the management cost.Key Words ： LoRa technology ; navigation aids ; GPS positioning ; monitoring system ; network node

O 引言

航标是确保航运安全的重要设施，加强航标管理是实现水路运输畅通、高效、平安、绿色的重要保证。美国于20世纪末在夏威夷召开的第十三届国际航标大会上提出航标信息管理系统[1]，目前在实现航标设备自动化基础上，逐步开展了以内河水域航标监控为主的航标系统白动化，并开始建立航标数据库和组建航标信息系统，从而实现航标管理白动化[2]。近年来，长江武汉航道局与武汉大学GPS工程研究中心共同研制的航标智能化监控系统在武汉长江大桥桥区航道投入使用，在船舶航行与航标管理中取得了相当成效[3]。但由于缺乏互联网技术应用，航标监控系统仍存在一些不足，如低功耗、实时性、稳定性等性能优化问题尚未得到解决。在航标管理方式选用方面，我国基本采用传统方式管理航标，由巡逻船定期检查航标灯是否存在故障，对存在故障的航标进行维修。因此，现有航标管理方式存在管理成本高及管理效率低下的问题。本文针对目前航标管理弊端以及航标监控技术上的不足，研发了一种基于LoRa通信技术的智能航标监管系统。该系统可以对航标灯进行实时远程监控，及时了解航标地理信息及各项水文气象信息[4];通过航标灯GPS定位，对航标偏移进行预警，迅速捕捉偏移量较大的航标灯，及时调派维修人员赴现场进行位置调整，确保航标灯处于正常位置和状态，提高了通航的安全性，同时也提高了航标管理效率，对内河流域综合交通环境发展具有重要意义。

1 系统业务分析

本系統在业务需求上主要包括3个方面：一是根据采集到的航标GPS信息以经纬度定位的形式将航标显示在监控界面中，可以通过航标的不同类型以及所属不同航段进行筛选查询定位;同时每个航标的GPS信息以及采集

2 总体技术方案

系统总体技术方案如图2所示。上层为信息采集层，由网络节点模块与控制中心系统组成[5]，网络节点模块采用RasberrvPi和Linux嵌入式系统的无线传感器网络模块设计[6];控制中心系统主要包括LoRa的无线通信模块和通信服务器设计，通过对数据采集、数据传输处理以及采用数据库服务提供实时数据库，实现对航标各项数据的到的各项水文气象信息需要显示在对应航标的信息窗口;二是针对航标的位置偏移，当偏移量达到设定的预报预警值时，在系统中需要有相应的通知，根据此通知进行航标相关问题处理;三是对航标进行维护维修管理，根据拟定的维护维修方案，对航标进行各项检查，处理航标存在的故障。根据上述业务需求，设计系统功能模块如图1所示。存储和管理。中间层运用Socket通信将地理信息与各项水文气象信息插入服务器中对应的后台数据库表，数据库中存储实时数据和历史数据，进一步对航标数据进行存储和管理。底层是后台监管系统，用于对航标进行监控和管理[7]。系统前端采用Web服务器显示用户界面，后端采用Weh服务器和数据库服务器处理业务逻辑，在请求数据库数据时运用Ajax技术，其最大特点是提供异步更新机制，将网页中的一部分单独刷新，利用该特性将航标的地理信息和各项水文气象信息实时加载到前台。 3 基于LoRa技术的通信设计

LoRaWAN是一种低功耗广域协议（LPWAN），LoRa技术具有远距离、低功耗、多节点、低成本的特性，是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，由美国Semtech公司提出并推广[8]。LoRa网络易于建设和部署，已成为当前最为普遍应用的物联网专用网络通信技术。目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433、868、915MHz等[9]。

系统LoRa通信设计采用服务器一网关一节点的连接方法，观测信息通过终端读取并在终端输入命令反馈给节点[10]，节点和网关之间通过天线匹配的方式进行连接和信息传输。节点部分主要完成各项水文气象信息采集与近距离数据传输。根据采集信息的不同可分為水文节点、气象节点、航标节点等。各无线传感器节点采集的信息分别为：①水文节点，实时采集水的深度、流动速度、流动方向等信息;②气象节点，实时采集各项气象信息;③航标节点，实时采集航标位置信息。在通信软件设计方面，为了让软件实时监测显示各节点采集信息，程序中定义了各节点信息初始值，以条件结构的方式说明不同情况下软件接收数据状态，接收到各节点采集的新数据时都会更新显示，同时展示出数据变化趋势及具体变化情况，通过检验设备测试和链接状态验证数据准确性。

LoRa网关设计中多个程序需要在网络连接状态下运行，因此首先需要执行网络连接代码完成网络连接，当检测到网络丢包率为0时才会启动。在进行网络连接后，需要对网卡进行设置，定义特定参数。同时，使用者还需要获取操作权限，否则将无法进行后续操作。在完成设置并获取权限后，即可进行Gatewav程序安装和Gatewavconf数据获取。在LoRa通信过程中需要建立LoRa通信协议，LoRa通信协议是通信计算机双方必须共同遵从的协议，计算机之间使用该协议才能进行交流。在建立协议之后，需将LoRa网关的用户界面建立起来，完成计算机之间的信息传输。而完成传输信息过程则需要建立指定的数据传输方式，将获取的信息传输出去[11]。LoRa数据传输结构如图3所示。

4后台监管系统软件设计

本监管系统采用B/S架构和SSM框架进行开发，SSM框架结构如图4所示。其中，Spring框架作为一个无侵入式的轻量级框架，通过Spring提供的IoC容器，可以将对象之间的依赖关系交由容器进行控制，避免硬编码造成过度耦合[12]。SpringMVC作为控制层，可将业务逻辑层与表示层分开，实现前端页面与后台业务逻辑松耦合连接，而且采用MVC设计模式能很清楚地将程序员与设计者的角色区分开。Mvhatis作为持久层框架，支持白定义SOL语句、存储过程以及高级映射，只需使用简单的XML或注解来配置和映射原生信息[13]，就能将接口和Java的POJO类映射成数据库中的记录。系统开发工具选择了具有标准化接口与松散耦合特点的Eclipse，有利于本系统与其它系统的集成及今后扩展升级[14]。

为实现前端页面动态展示效果和增加用户体验，系统采用EasvUI技术进行界面开发。通过使用EasvUI，开发者只需编写一些简易的HTML标记，即可达到定义用户界面的目的，无需编写复杂代码，大幅提高了开发效率。系统监控界面引用百度地图API，包括JS API、Web服务API、Android SDK、iOS SDK、定位SDK、车联网API、LBS云等多种开发工具与服务[15]。JS版本还为用户开放了开源库，简化了开发。系统引用百度地图JS API应用接口，将实时加载到的航标地理信息通过经纬度定位的方式显示到前台页面，将实时加载到的各项水文气象信息展示到对应航标的属性窗口，以达到远程航标监控效果。

为了实现智能航标监管的实用性和科学性，根据航标监管的业务需求，系统设计了航标监控、航标偏移预报预警、备品备件管理以及航标维护维修管理4个核心业务功能，其功能如下：

（1）航标监控。主要对航标进行实时监控，可根据指定航段和指定种类的航标获取航标地理信息以及各项水文气象信息，从而更好地实现航道信息化和数字化[16]。

（2）航标偏移预报预警。主要针对水流以及风力等因素作用下偏移量较大的航标，实施偏移预报预警机制调度人员对其位置进行调整，使其在正常位置上工作运行，从而提高航道安全性[17]。

（3）备品备件管理。主要对航标相关备品备件进行管理，当备品备件出库或入库时对其进行出入库登记[13]。

（4）航标维护维修管理。主要包括维护维修方案和维护维修计划，根据制定的维护维修方案，对航标进行系统检查，记录存在故障的航标，调派维修人员对其进行维修，保证航标能正常运行，从而达到安全通航效果”1。

航标监管系统主界面如图5所示。

5 结语

本文提出基于LoRa技术的智能航标监管系统，主要针对内河航道航标灯，实现实时监控和智能化位置偏移预报预警。该系统可以有效降低航标灯维护成本、提高管理效率，对航标灯进行有针对性而及时的维护与检修[20]，使航标管理人员能够迅速掌握航标相关信息，并能对航标灯进行远程监控[21]。在航标日常管理中，系统可针对维护维修计划进行维护维修流程处理，进一步降低航标维护成本并提高管理效率。本文研发的智能航标监管系统在汉江襄阳段内经过试用，效果良好，此后可在其它内河流域推广使用[22]。

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（责任编辑：孙娟）

收稿日期：2019-06-13

基金项目：湖北省交通运输厅科技项目（2017-538-4-5）

作者简介：蔡梦扬（1994-），男，湖北工业大学机械工程学院硕士研究生，研究方向为制造业信息化;宋庭新（1972-），男，湖北工業大学

机械工程学院教授，研究方向为制造过程信息化与自动化。本文通讯作者：蔡梦扬。