CN110070760A - 一种可配置场面监控***、wsn节点及车载网关 - Google Patents

一种可配置场面监控***、wsn节点及车载网关 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种可配置场面监控***，所述***包括WSN节点、车载网关和监控中心，其中：所述WSN节点，通过网络协议实现内部动态组网，采集数据，并通过路由策略将所述数据发送至所述车载网关；所述车载网关，将自身获取的数据和所述WSN节点发送的数据进行处理和显示，以ADS－B报文的形式通过ADS－B接收机和地面站将数据发送至所述监控中心；所述监控中心通过所述ADS－B接收机和所述地面站接收ADS－B报文，通过监控中心软件对所述ADS－B报文进行数据解析和处理，以便实现场面飞机协同管理。

Description

一种可配置场面监控***、WSN节点及车载网关
技术领域
本发明属于航空场面管理技术领域，具体涉及一种可配置场面监控***。
背景技术
机场是整个航空运输***的重要组成部分。机场场面监控水平直接关系到航空运输***的监控水平。机场场面监控对象繁多，技术手段匮乏，监控问题日渐紧迫，迫切需要通过高科技信息设备的辅助来减轻工作强度，提高监控效率。
现有场面监控技术主要包括场面监视雷达、ADS－B、GPS和无线传感器网络4种方案。
(1)场面监视雷达
场面监视雷达(Surface Surveillance Radar)是国内外大型繁忙机场采用的站坪交通管制技术，也是一项应用时间很长的场面监控技术。它采用X波段或Ku波段雷达对于机场跑道，滑行道及停机坪的飞机，车辆进行交通管制。该技术方案能够监视整个机场的跑道、滑行道及停机坪的飞机和车辆的位置，速度，移动路线，并能有效消除因目视死角而带来的现场管制缺陷。
(2)ADS－B
ADS－B是目前极具发展前景的一种场面监视新技术，是一种辅助雷达监视的自由式定位方案。该技术是一种由被监视者测定自身位置后(如利用GPS技术等)，利用数据链技术(如VDL、1090ES和UAT等)发送给监视者，监视者掌握被监视者的当前位置和飞行意图的监视方式。
ADS－B技术应用于机场场面监视，为所有机场场面移动的飞机和特种车辆装配ADS－B终端，将飞机或特种车辆的位置信息以及其它实时动态信息以ADS－B报文的形式通过无线数据链以每秒1次的速率进行广播式发送。地面基站或其它机(车)载设备接收到数据后，就能获取其详细状态信息。
(3)GPS
全球定位***(GlobalPositioning System)利用GPS定位卫星在全球范围内实时进行定位、导航的***，简称GPS。GPS是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航***，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息。目前在交通领域主要用于宏观的位置监视方面，具体应用包括铁路火车定位，物流车辆定位，车辆防盗等方面。特别在布置有地基增强***的机场，GPS定位精度可以达到毫米级。
(4)无线传感器网络(WSN)
无线传感器网络是新兴的一种监控技术手段。它具有分布式自组织、网络鲁棒性强、抗干扰能力强、价格便宜、适宜大规模部署、网络节点容量大等特点，是一种非常适合于机场这种强电磁干扰的地方部署的监控方案。
总体而言，场面监视雷达不需要新增设备，但易受建筑物遮挡，精度低，且成本较高；ADS－B应用条件最成熟，但需要其他设备提供数据支持(包括GPS和其他数据信息源等)；GPS定位精度较高，但只提供定位信息；WSN定位精度一般，但监控范围最广，理论上可以涵盖所有场面信息监控，应用前景很大。
发明内容
本发明利用ADS－B、GPS和WSN技术在机场场面监控中的应用，基于此构建了软硬件可配置的场面监控***，
第一方面，本申请提出了一种可配置场面监控***，所述***包括(WSN，WirelessSensor Networks)无线传感器网络节点、车载网关和监控中心，其中：
所述WSN节点，通过网络协议实现内部动态组网，采集数据，并通过路由策略将所述数据发送至所述车载网关；
所述车载网关，将自身获取的数据和所述WSN节点发送的数据进行处理和显示，以(ADS－B，Automatic Dependent Surveillance–Broadcast)广播式自动相关监视报文的形式通过ADS－B接收机和地面站将数据发送至所述监控中心；
所述监控中心通过所述ADS－B接收机和所述地面站接收ADS－B报文，通过监控中心软件对所述ADS－B报文进行数据解析和处理，以便实现场面飞机协同管理。
可选的，所述车载网关接收ADS－B发射机和地面站发送的ADS－B报文，以便实现对场面飞机和车辆的监控。
可选的，所述WSN节点采集的数据包括模拟量、开关量输入；所述WSN节点输出的数据包括模拟量、开关量输出。
可选的，WSN节点包括可配置传感器模块、处理模块、通信模块，其中：
所述可配置传感器模块包括至少两个可配置传感器，用于采集监控现场的图像和环境参数；所述处理模块包括微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)，用于WSN节点的操作、存储和处理；所述通信模块包括数据收发器，用于数据的接收和发送；所述可配置传感器模块将现场采集的物理量发送给处理模块，所述处理模块经过运算处理，将所述数据封装成帧，通过所述通信模块发送到所述车载网关。
可选的，所述车载网关包括处理器模块、WSN收发模块、ADS－B模块、GPS模块、可配置传感器模块、电源模块和显示屏，其中：
所述处理器模块用于处理和存储数据；
所述WSN收发模块用于所述WSN节点通信；
所述ADS－B模块用于ADS－B通信，对外广播自身状态信息，对场面飞机和配有ADS－B设备的车辆进行实时监控；
所述GPS模块用于提供精准定位源，以及修正无线传感器网络定位数据表和定位数据算法；
所述显示屏，用于实时显示监视数据、场面态势信息和告警及建议信息。
第二方面，本申请提供了一种WSN节点，所述WSN节点包括可配置传感器模块、处理模块、通信模块，其中：
所述可配置传感器模块包括至少两个可配置传感器，用于采集监控现场的图像和环境参数；所述处理模块包括微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)，用于WSN节点的操作、存储和处理；所述通信模块包括数据收发器，用于数据的接收和发送；所述可配置传感器模块将现场采集的物理量发送给处理模块，所述处理模块经过运算处理，将所述数据封装成帧，通过所述通信模块发送到所述车载网关。
第三方面，本申请提供了一种车载网关，所述车载网关包括处理器模块、WSN收发模块、ADS－B模块、GPS模块，其中：
所述处理器模块用于处理和存储数据；
所述WSN收发模块用于所述WSN节点通信；
所述ADS－B模块用于ADS－B通信，对外广播自身状态信息，对场面飞机和配有ADS－B设备的车辆进行实时监控；
所述GPS模块用于提供精准定位源，以及修正无线传感器网络定位数据表和定位数据算法。
可选的，所述车载网关还包括显示屏，所述显示屏用于实时显示监视数据、场面态势信息和告警及建议信息。
本专利根据ADS－B、GPS和WSN技术在机场场面监控中的应用，基于此构建了软硬件可配置的场面监控***，通过ADS－B、GPS和WSN的综合技术提供机场场面全方位实时监控等。该***主要由WSN节点、车载网关、监控中心构成，文中详细介绍了各个组成的构成与设计。与传统单一的场面监控***相比，该***在有效的简化设备、降低成本的同时，可以提供更加全面精确的场面实时监测，增加场面监视范围，提高场面监视能力，也为后续的场面引导、协调提供支持，降低场面冲突事件的发生，以保障场面运行安全和效率，并降低管制员工作负荷，符合机场场面精益化运行的要求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种可配置场面监控***架构图；
图2为本发明实施例提供的一种WSN节点内部结构图；
图3为本发明实施例提供的一种车载网关内部结构图。
具体实施方式
本申请提出的基于ADS－B/GPS/WSN的可配置场面监控***，主要由WSN节点、车载网关、监控中心构成。
机场场面需监控的设备和信息种类繁多，且监视需求差别较大，所以本***采用可配置数据采集终端作为WSN节点，可按需求灵活配置传感器；同时，对车辆类设备集成GPS功能以实现精准定位，并为WSN提供定位参考；融合ADS－B和WSN技术构建无线通信网络，监控范围可覆盖机场任何角落；最后，结合监控中心可配置软件***，搭建基于ADS－B/GPS/WSN的可配置场面监控***。
该***由三部分组成：WSN节点、车载网关和监控中心。WSN节点通过网络协议实现内部动态组网，数据通过路由策略实时发送给车载网关；车载网关是ADS－B和WSN网络的结合，将获取的自身数据和其他WSN节点发送的数据进行处理和显示，以ADS－B报文的形式发送给其他机(车)载ADS－B接收机和地面站(目前机场均已配备)，地面站将数据发送给监控中心。车载网关同时可以接收其他机(车)载ADS－B发射机和地面站发送的ADS－B报文，实现对场面飞机和其他车辆的监控。
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
图1是基于ADS－B/GPS/WSN的可配置场面监控***架构图，该***由三部分组成：WSN节点、车载网关和监控中心。WSN节点通过网络协议实现内部动态组网，数据通过路由策略实时发送给车载网关；车载网关是ADS－B和WSN网络的结合，将获取的自身数据和其他WSN节点发送的数据进行处理和显示，以ADS－B报文的形式发送给其他机(车)载ADS－B接收机和地面站(目前机场均已配备)，地面站将数据发送给监控中心。车载网关同时可以接收其他机(车)载ADS－B发射机和地面站发送的ADS－B报文，实现对场面飞机和其他车辆的监控。
该***采用可配置监控***模型设计，通过建立可配置监控***的软硬件模型，实现硬件可裁剪和软件可配置设计。
硬件可裁剪设计
场面监控***的监控功能在硬件上主要体现在布置于机场场面的无线传感器网络数据采集终端(WSN节点)对外界数据的采集和输出，其中数据采集部分通常包括模拟量、开关量输入；输出部分通常包括模拟量、开关量输出。通常通过提供业内比较通用的信号类型来达到通用的目的。对于使用这些信号接口的传感器，可直接互连；对于使用其他信号接口的传感器，只需要增加相应的信号转换电路即可互连。这种对复杂且不通用接口电路的处理方式不仅简化了监控终端硬件设计，使得硬件接口具有较强的通用性和扩展性，也便于实际应用中对硬件的定制和裁减。
软件可配置设计
软件可配置设计主要是添加接入网络的数据采集终端网络参数和各通道及其控制关系的配置。为了实现可配置式软件功能，在设计通用平台软件时，将与硬件二次开发接口相关信息定义为可修改的配置参数形式，不需修改任何软件即可定制出具体的应用***。
图2是WSN节点内部结构图，WSN节点多用在偏僻的角落，用于监控场面除飞机和特种车辆之外的其他设备和场面环境信息，具有小体积、低功耗、低成本的特点。WSN节点的通用组成包括可配置传感器、处理模块、通信模块和电源模块。传感器模块由各种可配置传感器组成(一般配有2至5个接口，综合考虑需求和能耗进行配置)，负责采集监控现场的图像和环境参数；处理器模块就是低功耗嵌入式MCU，负责整个WSN节点的操作、存储和处理；通信模块就是数据收发器，以WSN无线射频收发负责数据的接收和发送。传感器采集现场的物理量传送给处理器，处理模块经过运算处理，将这些数据封装成帧，通过无线通信模块发送到车载网关。
WSN节点随机分布在机场场面现场(注意：保证两个节点在彼此的通讯范围之内，否则无法组成网络)，采用自备充电电池和外接电源两种供电方式供电。
图3是车载网关内部结构图，车载网关作为无线传感器网络的网关节点，是连通WSN节点与监控中心ADS－B地面站的中转站，负责中转底层节点和监控中心之间的请求、数据和命令(查询、设置等)，同时可通过LCD显示屏实现信息显示和人机交互。特种车辆一般均配有发电机和大型蓄电池，所以车载网关设计过程中不用考虑能耗问题。车载网关主要由处理器模块、WSN收发模块、ADS－B模块、GPS模块、可配置传感器模块、电源模块和显示屏构成。
处理器模块选用处理和存储能力更强的芯片，包括PowerPC、SDRAM、EEPROM、Flash等，模块***按需要扩展多路网口、串口等接口；
WSN收发模块主要负责与WSN节点的通信；
ADS－B模块负责ADS－B通信，基于此车辆可以周期对外广播自身状态信息，同时可对场面飞机和其他配有ADS－B设备的车辆进行实时监控；
GPS模块用于提供精准定位源，用于车辆自身定位，以及修正无线传感器网络定位数据表和定位数据算法；
可配置传感器模块传感器选型不需用过度考虑能耗，以监视需求和传感器功能性能为主(特种车辆监控信息一般包括加速度、车辆倾斜角、温度、湿度等)；
LCD显示屏作为交互界面，用于实时显示监视数据、场面态势信息和告警及建议信息。
监控中心主要通过ADS－B地面站设备接收场面车辆发送的ADS－B报文，通过监控中心软件进行数据解析和处理后，进而实现场面飞机协同管理。
监控中心软件包括了侦听软件模块和监控软件模块两部分。其中监控软件是与***之间的接口，通过操作监控软件界面产生各种命令，命令存放在数据库中的命令表中；侦听软件取得的各种状态数据也存放于数据库中，监控软件要进行的各种查询操作都是基于数据库的查询。由以上可以看出，侦听软件与监控软件之间的通信通过数据库进行。
目前，机场场面监控仍紧密依靠现场目视和简单内通设备指挥调度，特别是场面特种车辆和其他移动设备的运行调度，目视死角的存在和指挥调度宏观性的缺乏，常常给指挥调度工作带来同扰。
基于ADS－B/GPS/WSN的可配置场面监控***针对机场场面监控特点做了很多适应性设计和改进，能够实现对机场场面全方位、高精度、实时的状态监控，大大提高机场场面监控的范围和效果进而为场面引导和协调提供支持，降低场面冲突事件的发生，以保障场面运行安全和效率，并降低管制员工作负荷，符合机场场面精益化运行的要求。

Claims (8)

1.一种可配置场面监控***，其特征在于，所述***包括(WSN，Wireless SensorNetworks)无线传感器网络节点、车载网关和监控中心，其中：
所述WSN节点，通过网络协议实现内部动态组网，采集数据，并通过路由策略将所述数据发送至所述车载网关；
所述车载网关，将自身获取的数据和所述WSN节点发送的数据进行处理和显示，以(ADS－B，Automatic Dependent Surveillance–Broadcast)广播式自动相关监视报文的形式通过ADS－B接收机和地面站将数据发送至所述监控中心；
所述监控中心通过所述ADS－B接收机和所述地面站接收ADS－B报文，通过监控中心软件对所述ADS－B报文进行数据解析和处理，以便实现场面飞机协同管理。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述车载网关接收ADS－B发射机和地面站发送的ADS－B报文，以便实现对场面飞机和车辆的监控。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述WSN节点采集的数据包括模拟量、开关量输入；所述WSN节点输出的数据包括模拟量、开关量输出。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于：WSN节点包括可配置传感器模块、处理模块、通信模块，其中：
所述可配置传感器模块包括至少两个可配置传感器，用于采集监控现场的图像和环境参数；所述处理模块包括微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)，用于WSN节点的操作、存储和处理；所述通信模块包括数据收发器，用于数据的接收和发送；所述可配置传感器模块将现场采集的物理量发送给处理模块，所述处理模块经过运算处理，将所述数据封装成帧，通过所述通信模块发送到所述车载网关。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述车载网关包括处理器模块、WSN收发模块、ADS－B模块、GPS模块、可配置传感器模块、电源模块和显示屏，其中：
所述处理器模块用于处理和存储数据；
所述WSN收发模块用于所述WSN节点通信；
所述ADS－B模块用于ADS－B通信，对外广播自身状态信息，对场面飞机和配有ADS－B设备的车辆进行实时监控；
所述GPS模块用于提供精准定位源，以及修正无线传感器网络定位数据表和定位数据算法；
所述显示屏，用于实时显示监视数据、场面态势信息和告警及建议信息。
6.一种WSN节点，其特征在于，所述WSN节点包括可配置传感器模块、处理模块、通信模块，其中：
所述可配置传感器模块包括至少两个可配置传感器，用于采集监控现场的图像和环境参数；所述处理模块包括微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)，用于WSN节点的操作、存储和处理；所述通信模块包括数据收发器，用于数据的接收和发送；所述可配置传感器模块将现场采集的物理量发送给处理模块，所述处理模块经过运算处理，将所述数据封装成帧，通过所述通信模块发送到所述车载网关。
7.一种车载网关，其特征在于，所述车载网关包括处理器模块、WSN收发模块、ADS－B模块、GPS模块，其中：
所述处理器模块用于处理和存储数据；
所述WSN收发模块用于所述WSN节点通信；
所述ADS－B模块用于ADS－B通信，对外广播自身状态信息，对场面飞机和配有ADS－B设备的车辆进行实时监控；
所述GPS模块用于提供精准定位源，以及修正无线传感器网络定位数据表和定位数据算法。
8.根据权利要求7所述的车载网关，其特征在于，所述车载网关还包括显示屏，所述显示屏用于实时显示监视数据、场面态势信息和告警及建议信息。
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