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梅仲豪1 孟學軍1 徐 曦2 彭 琳1 張日新3 摘 要：分析光載無線技術(shù)應用的現(xiàn)狀，提出結(jié)合光載無線技術(shù)的一種智慧港口物聯(lián)網(wǎng)平臺解決方案,。采用光載無線技術(shù)的智慧港口網(wǎng)絡具有良好的可靠性,、穩(wěn)定性、安全性,，且易于管理和維護,。 關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智慧港口;光載無線 港口作為多種運輸方式的交匯點，在綜合運輸體系中發(fā)揮著舉足輕重的作用,。伴隨著物流行業(yè)的大發(fā)展,，智能化港口的建設(shè)已從交通樞紐轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔哟巍⒏邇?nèi)涵的綜合性物流運作的核心環(huán)節(jié)［1－3］,。 物聯(lián)網(wǎng)作為時下最熱門的熱點問題,，受到各界的高度關(guān)注。通過物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)“物物互聯(lián)”,，讓物體“講話”,，所以,，物聯(lián)網(wǎng)能夠使我們這個世界變得更加智慧、更加智能,。它被更廣泛的應用到港口建設(shè)中來,，對港口智能化的建設(shè)將會產(chǎn)生巨大的影響,。隨著經(jīng)濟全球化、市場國際化和信息網(wǎng)絡化的飛速發(fā)展,，大型港口已經(jīng)開始向定位為“國際物流中心”的新型港口轉(zhuǎn)型，正在走向國際化,、規(guī)模化,、系統(tǒng)化［4］,。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用到港口建設(shè)中，建立“智能化港口物聯(lián)網(wǎng)信息平臺”,，實現(xiàn)實時、準確,、高效,、優(yōu)質(zhì)的港口物流服務體系，是當今世界港口行業(yè)發(fā)展的潮流,，具有非常重要的作用和意義［5］,。 1 光載無線通信技術(shù)光載無線(radio－over－fiber，ROF)技術(shù)是應高速大容量無線通信需求,，新興發(fā)展起來的將光纖通信和無線通信結(jié)合起來的無線接入技術(shù)。該技術(shù)具有超寬帶有線傳輸與靈活無線接入的突出優(yōu)勢,，將成為未來移動通信,、超寬帶無線接入以及無線傳感網(wǎng)絡的重要技術(shù)支撐［6－7］。 ROF技術(shù)充分結(jié)合光纖和無線電波傳輸?shù)奶攸c,，能實現(xiàn)大容量、低成本的射頻信號有線傳輸和寬帶無線接入,，并具有覆蓋面廣、易于動態(tài)管理和維護等特點，在未來泛在超寬帶蜂窩網(wǎng)絡,、室內(nèi)無線局域網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信,、視頻分布式系統(tǒng)、智能交通通信和控制等領(lǐng)域具有巨大的應用前景,。 在寬帶無線接入技術(shù)中,，WiFi技術(shù)與ROF技術(shù)的結(jié)合可以將WiFi信號進行拉遠，極大拓展無線覆蓋范圍,。利用光信號處理實現(xiàn)射頻頻點的快速切換,，可以動態(tài)高效地利用射頻頻譜資源,，提高單個接入點的峰值帶寬并實現(xiàn)帶寬的主動配置,，并建立起智能ROF網(wǎng)絡。目前,，WiFi光載無線信號分布系統(tǒng)的研究和應用主要集中在發(fā)達國家，如美國軍方的大型艦艇內(nèi)部的無線信號分布系統(tǒng),，用于內(nèi)部通信和數(shù)據(jù)傳輸,，以及設(shè)備、物資,、人員的跟蹤定位;醫(yī)院的無線信號分布系統(tǒng)，用于遠程醫(yī)療,，醫(yī)療設(shè)備、藥品的跟蹤,、醫(yī)生和病人的定位等;智能大廈內(nèi)部的無線信號分布系統(tǒng)等。 在國內(nèi),，光載無線技術(shù)的研究還處于起步階段,，還沒有基于WiFi光載無線信號分布系統(tǒng)及其物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應用的報道。本文以WiFi光載無線信號分布系統(tǒng)及其核心設(shè)備－WiFi光載無線中心控制設(shè)備構(gòu)建智慧港口物聯(lián)網(wǎng)平臺,，不僅可以彌補業(yè)內(nèi)的技術(shù)空白,，而且有利于促進我國港口的信息化建設(shè)、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和港口企業(yè)進步,。 2 智慧港口物聯(lián)網(wǎng)平臺2.1 總體架構(gòu) 本文所提出的智慧港口信息化平臺設(shè)計總體方案如圖1所示。整個平臺方案中采用了光載無線交換機作為網(wǎng)絡管理和信息匯聚交換的主節(jié)點,，港區(qū)內(nèi)工作車輛,、設(shè)備及工作人員配備平臺智能終端，這些智能終端之間組成無線網(wǎng)狀網(wǎng),，同時經(jīng)過周邊匯聚點接入光載無線交換機與服務器和數(shù)據(jù)中心相連接，實現(xiàn)整個智慧港口信息化平臺的網(wǎng)絡連接通信,，最終完成對車輛、貨物信息,、人員以及設(shè)備等的一系列智能化操作。  2.2 平臺硬件設(shè)施 在實施基于光載無線技術(shù)的智慧港口物聯(lián)網(wǎng)平臺中,，各種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的終端設(shè)備包括連接傳感器,、監(jiān)視器等的設(shè)備終端,、射頻識別標簽/讀卡器終端,、港口工作車輛車載終端、工作人員手持終端組成一個內(nèi)部移動網(wǎng)狀網(wǎng),，終端設(shè)備通過WiFi連接覆蓋整個港口區(qū)域的分布天線匯聚點，各個匯聚點再通過光纖連接到光載無線交換機,，并通過路由設(shè)備與服務器,、數(shù)據(jù)中心,、監(jiān)控中心以及外部互聯(lián)網(wǎng)相連，從而形成一個整體的港口網(wǎng)絡,。通過平臺建立的港口網(wǎng)絡,，一方面工作人員可以通過實現(xiàn)對企業(yè)物資的追溯,、跟蹤與定位,，機器設(shè)備的監(jiān)控與管理,。另一方面，終端設(shè)備可采用小型化嵌入式Web設(shè)備服務器,，這樣用戶無論在企業(yè)內(nèi)部還是外部都可通過互聯(lián)網(wǎng)和Web瀏覽器對終端機器設(shè)備進行遠程管理與控制。 平臺硬件部分主要包括港口終端設(shè)備和網(wǎng)絡設(shè)備兩個部分。終端設(shè)備主要結(jié)構(gòu)如圖2所示,，其中包括微處理器系統(tǒng)、用于車車之間進行無線通信的支持IEEE 802.11p協(xié)議通信模塊,、用于和光載無線交換機的分布天線匯聚點進行無線通信的支持IEEE 802.11 a/b/g/n協(xié)議WiFi通信模塊,、GPS定位模塊、用于連接傳感器,、攝像頭以及RFID讀寫器等設(shè)備的接口模塊以及供電模塊等,。  圖2 終端硬件結(jié)構(gòu)圖 上述終端硬件中IEEE 802.11p協(xié)議通信模塊可采用Atheros公司的AR5414芯片,，通過加載IEEE 802.11p協(xié)議棧,，可以工作在5.850－5.925GHz頻段。通過IEEE 802.11p協(xié)議組成移動網(wǎng)狀網(wǎng),，網(wǎng)絡中包含各類終端設(shè)備,，它們可以是位置固定的，也可以是移動的,，同時使用多跳傳輸技術(shù)進行網(wǎng)絡通信［8］。終端硬件中的WiFi通信模塊通過USB接口與微處理器(MCU)模塊相連,，它可以通過IEEE 802.11 a/b/g/n通信協(xié)議與光載無線交換機的分布天線匯聚點進行通信，以達到各類終端所組成的移動網(wǎng)狀網(wǎng)與服務器,、數(shù)據(jù)中心以及外部因特網(wǎng)之間的通信連接。GPS定位模塊用于確定終端設(shè)備的位置信息,，以實現(xiàn)對各類終端設(shè)備的GIS系統(tǒng)信息化管理。設(shè)備通信接口模塊是用于連接傳感器,、攝像頭以及各類型電氣設(shè)備的通信接口,。 2.3 平臺軟件系統(tǒng) 智慧港口物聯(lián)網(wǎng)平臺的軟件系統(tǒng)建設(shè)也非常重要,，尤其需要實時高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲和管理，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,。整個軟件系統(tǒng)架構(gòu)主要包括用戶管理模塊,、進口業(yè)務裝貨及卸貨管理,、出口業(yè)務裝貨及卸貨管理等。系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡存儲數(shù)據(jù),，在控制中心建立中心數(shù)據(jù)庫，各區(qū)域建立支數(shù)據(jù)庫與中心數(shù)據(jù)庫實時同步數(shù)據(jù),，采用局域網(wǎng)專線互聯(lián),，控制中心存儲所有規(guī)劃范圍內(nèi)區(qū)域的倉庫存儲,、出入庫記錄等信息，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理和控制,。 通過平臺的軟件系統(tǒng),，現(xiàn)場人員使用手持終端設(shè)備現(xiàn)場調(diào)出記錄船號、貨運號,，并錄入件數(shù),、堆位等信息,，錄入信息直接匯入后臺管理系統(tǒng),，無需后臺人員重新錄入;終端設(shè)備與中心管理平臺可通過WiFi進行連接,，各類終端通過提交方式將數(shù)據(jù)、信息反饋給平臺,，平臺則以推送方式,，將收貨信息,、公司通知以及控制指令等信息下發(fā)到終端設(shè)備;通過運行在服務器上的GIS平臺對各個終端設(shè)備位置進行查詢，用戶可以通過車載終端和手持終端很方便的進行信息查詢,，查詢請求提交后,，平臺針對需求將信息推送到終端,。  圖3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)示意圖 3 基于光載無線技術(shù)的港口網(wǎng)絡系統(tǒng)3.1 網(wǎng)絡總體架構(gòu) 整個智慧港口信息化平臺網(wǎng)絡架構(gòu)主要包含下面3個部分:港口內(nèi)傳感器,、電氣設(shè)備等固定終端與車載終端、人員手持終端通過IEEE 802.11p協(xié)議組成的無線移動網(wǎng)狀網(wǎng);終端設(shè)備與光載無線交換機的分布天線匯聚點通過IEEE 802.11 a/b/g/n協(xié)議組成的WiFi網(wǎng)絡;光載無線交換機與數(shù)據(jù)中心,、服務器以及3G/4G通信設(shè)備組成的有線IP網(wǎng)絡,。平臺網(wǎng)絡架構(gòu)層次模型如圖4所示。  圖4 智慧港口信息化平臺網(wǎng)絡模型 3.2 港口光載無線網(wǎng)絡 港口光載無線網(wǎng)絡采用光載無線交換機進行構(gòu)建,，其網(wǎng)絡架構(gòu)如圖5所示,。網(wǎng)絡中在港口網(wǎng)絡控制中心只包括服務器,、匯集交換機,、防火墻和多個光載無線交換機這些核心設(shè)備,。網(wǎng)絡控制中心數(shù)據(jù)信息經(jīng)光載無線交換機通過光纖延伸到港口各個區(qū)域的遠端單元接入點，港口各個位置的遠端單元接入點之間組成蜂窩結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡,，完成對整個港口區(qū)域的無線WiFi信號覆蓋,，臨近蜂窩工作在不同獨立信道上以防止干擾,。通過多個遠端單元組合形成蜂窩覆蓋網(wǎng)絡同時使相鄰蜂窩工作在獨立信道上，這樣可以發(fā)揮光載無線交換系統(tǒng)的優(yōu)勢特點,，保障整個港口網(wǎng)絡的可靠性,、穩(wěn)定性、安全性以及易管理和維護特性,。  圖5 港口光載無線網(wǎng)絡 3.3 光載無線交換機 光載無線交換機是整個網(wǎng)絡的核心部件,，它是基于光載無線通信技術(shù)研發(fā)的。光載無線交換機將WiFi信號的產(chǎn)生,、處理集中于內(nèi)部,，同時以光纖實現(xiàn)大范圍(200～5 000 m)分布，通過遠端天線完成信號覆蓋及雙向傳輸,。其采用模擬光纖通信技術(shù)及射頻交換技術(shù)實現(xiàn)了WiFi無線信號源的遠端傳輸,，分布，交換與控制,。光載無線交換機的主要功能包括:能自動分配局域網(wǎng)地址,、支持端口鏡像、網(wǎng)絡自防御,、智能過濾,、流量控制;支持IP限速,、上載單獨限速和下載單獨限速等;將WiFi射頻信號通過光纖分布200～5 000 m;具有射頻交換功能;無線接入點的集中配置和管理;遠端天線的功率控制;WiFi接入點的頻道自動分配;接入設(shè)備在遠端天線間漫游時，實現(xiàn)無縫切換;移動信號本地連接,，支持2G/ 3G/4G/WiFi混合信號分布,。 4 基于光載無線技術(shù)的智慧港口網(wǎng)絡的特點4.1 信號源本地化，提升網(wǎng)絡安全性,，便于管理和維護 網(wǎng)絡系統(tǒng)WiFi無線信號由網(wǎng)絡控制中心的主機產(chǎn)生,，通過處理和轉(zhuǎn)換后由光纖傳送到工廠各個位置的遠端單元,。在網(wǎng)絡控制中心即可對所有WiFi信號進行集中和統(tǒng)一管理，實現(xiàn)可管,、可控,、可測,，安全性更高,，運行更加穩(wěn)定。同時在網(wǎng)絡控制中心即可對主要的網(wǎng)絡設(shè)備進行管理和維護,，大大減少設(shè)備維護工作量,。 4.2 采用主動式冗余架構(gòu),，提升網(wǎng)絡穩(wěn)定性和可靠性 系統(tǒng)遠端節(jié)點采用主動式冗余架構(gòu)設(shè)計，構(gòu)建包括常用遠端單元和備用遠端單元設(shè)備,。備用遠端單元能夠自動檢測常用遠端單元的運行狀態(tài),，當某個常用遠端單元發(fā)生故障時，備用遠端單元自動啟動接管故障遠端單元完成其所有的功能及提供的所有的服務,，同時及時將故障信息反饋給控制中心,。這樣能夠極大地提高整個網(wǎng)絡的可靠性，保障網(wǎng)絡不間斷正常工作運行,。 4.3 混合傳輸WiFi和其它射頻信號,，提升網(wǎng)絡擴展能力 系統(tǒng)遠端射頻單元具有很寬的頻率特性，可將其它射頻信號通過電纜接入光載無線交換機,，與WiFi信號混合處理通過子載波復用技術(shù)轉(zhuǎn)換成光信號,，以同一路光纖傳送到遠端天線，實現(xiàn)混合信號的雙向傳輸,，便于整個網(wǎng)絡擴展應用,。 4.4 網(wǎng)絡帶寬可重構(gòu)，提升網(wǎng)絡自適應能力 網(wǎng)絡系統(tǒng)具有射頻交換功能,，能夠根據(jù)遠端廠區(qū)現(xiàn)場網(wǎng)絡需求的變化,，動態(tài)調(diào)整射頻信號的分布，從而調(diào)整網(wǎng)絡帶寬,，實現(xiàn)網(wǎng)絡容量的實時重構(gòu),。 目前基于光載無線技術(shù)的智慧港口網(wǎng)絡系統(tǒng)已在廣州港散雜碼頭進行實施。 5 結(jié)語本文以結(jié)合先進的光載無線技術(shù)對當前智慧港口建設(shè)提出了一種基于光載無線技術(shù)搭建的智慧港口物聯(lián)網(wǎng)平臺,，該平臺大量運用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進行實現(xiàn),，其中包括無線移動網(wǎng)狀網(wǎng)、光載無線通信等一系列關(guān)鍵技術(shù),。該智慧港口網(wǎng)絡可以發(fā)揮光載無線技術(shù)的優(yōu)勢特點,，在整個港口網(wǎng)絡的可靠性、穩(wěn)定性,、安全性以及易管理和維護特性具有明顯優(yōu)勢,。平臺能夠有效提升港口的智能化、信息化及數(shù)字化水平,，增強港口工作效率,，推動我國交通運輸信息化發(fā)展。 參考文獻： ［1］吳功宜.智慧的物聯(lián)網(wǎng):感知中國和世界的技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出社,，2010. ［2］廣州飛瑞敖電子科技有限公司.港口散雜貨碼頭智能化解決方案［DB/OL］.http://www./index.php/Program/detail/id/3.htm l. ［3］王宇,，李繼春.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能港口中的應用前景［J］.集裝箱化，2010(12):28－30. ［4］Carlos Ameixieira，AndréCardote,，F(xiàn)ilipe Neves.HarborNet: A Real－World Testbed for Vehicular Networks［J］.IEEE Communications Magazine,，2014(9):108－113. ［5］H.Huang et al.Performance Evaluation of SUV netwith Real－Time Traffic Data［J］.IEEE Trans.Vehic－Tech.2010，56(6):3381－3396. ［6］韓海雯,，齊德昱,，封斌.基于云計算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的港口物流綜合服務平臺架構(gòu)研究［J］.計算機科學，2013,，40(6A):232－235. 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Abstract：Combined with the characteristics of internet of things and intelligent sea－ports,，this paper analyzes the present situation of the application of radio－over－fiber technology,，and proposes a kind of internet of things platform in intelligent sea－ports based on radio－over－fiber technology.The intelligent sea－ports network with radio－over－fiber technology have the advantages of good reliability，good stability,，high security and easymanagement and maintenance. Key words：internet of things;intelligent sea－ports;radio over fiber 收稿日期：2015－09－03 DOI：10.3963/j.issn.1000－8969.2015.05.017 此文作者張日新為武漢水運工程學院港機1986級學生 |
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