艦船通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換協(xié)議設(shè)計(jì)探析

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摘要:艦船通信系統(tǒng)是保證艦船設(shè)備運(yùn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)挠布A(chǔ)，在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)基于CAN總線協(xié)議、TCP/IP協(xié)議的通信系統(tǒng)難以保證實(shí)時(shí)通信速率的穩(wěn)定性，可能存在數(shù)據(jù)報(bào)文丟失、通信質(zhì)量不高的問(wèn)題。在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的背景下，艦船通信系統(tǒng)應(yīng)積極探尋和應(yīng)用更為穩(wěn)定成熟的數(shù)據(jù)交換協(xié)議。本文在分析傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交換協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出基于Zigbee數(shù)據(jù)交換協(xié)議設(shè)計(jì)的艦船通信系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該通信系統(tǒng)能夠保證較為穩(wěn)定的實(shí)時(shí)通信速率。

關(guān)鍵詞：艦船；通信系統(tǒng)；數(shù)據(jù)交換協(xié)議

0引言

現(xiàn)階段，網(wǎng)絡(luò)信息通信技術(shù)呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢(shì)。在艦船通信系統(tǒng)中，應(yīng)借助網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的性能，保證各類型數(shù)據(jù)在通信系統(tǒng)中連續(xù)不間斷穩(wěn)定傳輸，提高通信系統(tǒng)的技術(shù)裝備水平。

1數(shù)據(jù)交換協(xié)議

數(shù)據(jù)交換協(xié)議是通信系統(tǒng)中各類軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，常用的數(shù)據(jù)交換協(xié)議包括CAN總線協(xié)議、NMEA2000協(xié)議、TCP/IP協(xié)議[1–2]。1.1CAN總線協(xié)議CAN總線以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為執(zhí)行準(zhǔn)則，是現(xiàn)場(chǎng)總線中使用最為廣泛和成熟的數(shù)據(jù)交換協(xié)議。在CAN總線上，擁有多個(gè)主通信方式，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的仲裁段對(duì)總線優(yōu)先級(jí)起著決定性作用，可以從結(jié)構(gòu)上保證總線通信的可靠性。CAN總線能夠避免某個(gè)節(jié)點(diǎn)總線出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)，在出現(xiàn)錯(cuò)誤后可以將其移除，通信速率為1Mbps，具備較強(qiáng)的抗干擾性。在艦船通信系統(tǒng)中，采用CAN總線協(xié)議需要將控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)都連接到總線上，保證設(shè)備之間的數(shù)據(jù)有效傳輸，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的協(xié)同運(yùn)作[3–4]。

1.2NMEA2000協(xié)議分層

NMEA2000協(xié)議分層以CAN總線為基礎(chǔ)，依照OSI模型建立起設(shè)備數(shù)據(jù)交換協(xié)議，在艦船通信系統(tǒng)中應(yīng)用NMEA2000協(xié)議，能夠滿足船載導(dǎo)航、雷達(dá)、聲吶等多類型的數(shù)據(jù)交換[5–6]。基于該協(xié)議設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，可以分為單幀或多幀類型，PDU數(shù)據(jù)段包括3～8bit，主要用于發(fā)送真正內(nèi)容；在數(shù)據(jù)接收時(shí)，PGN接收表不僅要接收和響應(yīng)地址管理信息，還要接收硬件接口發(fā)送的單幀數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于緩沖區(qū)，完成完整報(bào)文，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并對(duì)解析數(shù)據(jù)加上標(biāo)識(shí)，確定數(shù)據(jù)信息的來(lái)源出處。

1.3TCP/IP協(xié)議

TCP/IP是互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，具備7層模型，對(duì)于艦船通信系統(tǒng)而言，常用模型層級(jí)包括傳輸層的TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。TCP協(xié)議屬于連接通信協(xié)議，能夠建立起各個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，提供高質(zhì)量的通信服務(wù)，確保數(shù)據(jù)發(fā)送到接收方；UDP協(xié)議屬于無(wú)連接協(xié)議，具備報(bào)文封裝簡(jiǎn)單、傳輸速度快的特點(diǎn)，在低丟包率條件下，報(bào)文出錯(cuò)也不會(huì)對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生太大的影響。

2艦船通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1艦船通信系統(tǒng)

艦船通信系統(tǒng)要滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信需求，基于網(wǎng)絡(luò)無(wú)線信號(hào)形成數(shù)據(jù)傳輸鏈路，借助通信衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ劈c(diǎn)，利用數(shù)據(jù)解碼器輸出數(shù)據(jù)。艦船通信系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)載入、轉(zhuǎn)換、編碼、發(fā)送4項(xiàng)重要功能，基于此點(diǎn)要求，通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)5層架構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)載入、電路控制、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)編碼和信號(hào)輸出架構(gòu)。在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各個(gè)框架運(yùn)行流程如圖1所示。其中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)載入框架用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口與網(wǎng)絡(luò)功能模塊的對(duì)接，可以將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議內(nèi)容輸入到功能模塊中，提供寫入支持；數(shù)據(jù)電路控制框架用于自定義電源控制信號(hào)，根據(jù)電路接入情況處理信號(hào)控制情況；數(shù)據(jù)處理控制框架以CPU控制中心為平臺(tái)，全面控制各層的信號(hào)通信協(xié)議；數(shù)據(jù)信號(hào)編碼框架用于對(duì)接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口；數(shù)據(jù)信號(hào)輸出框架為數(shù)據(jù)信號(hào)輸出與中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信提供服務(wù)。艦船通信系統(tǒng)的五大硬件集成框架需要配置關(guān)鍵性的硬件設(shè)備，包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收器、電壓控制、存儲(chǔ)控制器、數(shù)據(jù)緩存器、中央處理器、電路邏輯控制器、信號(hào)諧波穩(wěn)定器、信號(hào)輸出寄存器、數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器、電流微控器等。通信系統(tǒng)的硬件模組能耗分布如圖2所示。

2.2數(shù)據(jù)交換協(xié)議設(shè)計(jì)框架

常用的數(shù)據(jù)交換協(xié)議主要以有線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)為依托，雖然能夠保證艦船通信的基本需求，但是難以滿足通信系統(tǒng)在復(fù)雜條件下的高質(zhì)量、高速率通信要求。所以，本文基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)艦船通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，即Zigbee協(xié)議，協(xié)議包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層、PHY層。主要采用的硬件設(shè)備為路由器、終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器，Zigbee協(xié)議采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，遵循分布式分配機(jī)制，利用Cluster-Tree算法，具體的運(yùn)作流程為：接收數(shù)據(jù)包→判斷數(shù)據(jù)包→發(fā)送數(shù)據(jù)包→判斷節(jié)點(diǎn)路由→沿樹形選擇路由→判斷目的地路由→達(dá)到下一個(gè)路由。Zigbee協(xié)議的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)主要執(zhí)行HA標(biāo)準(zhǔn)，其開發(fā)流程更加便捷，只需要建立起函數(shù)關(guān)系模型就能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)交換功能。Zigbee協(xié)議在接入網(wǎng)關(guān)過(guò)程中，可以借助Wifi通信以有線方式接入接口，在成功接入后，Zigbee協(xié)議的工作流程包括：初始化串口、網(wǎng)絡(luò)接口和時(shí)間管理中心；在事件列隊(duì)中加入串口小數(shù)；監(jiān)聽事件列隊(duì)，讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；判斷是否建立連接；建立連接后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。Zigbee協(xié)議的感知層以傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為主，實(shí)現(xiàn)在通信系統(tǒng)中的傳輸，可以從一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)傳輸。為保證(c1,u1,x1)···(c4,u4,x4)(c1,u1,x1)[(c1−c)2+(u1−u)2+(x1−x)2+]v(fy−fy1)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸速率，Zigbee協(xié)議設(shè)計(jì)要根據(jù)硬件接口參數(shù)定義數(shù)據(jù)，從遠(yuǎn)端接收終端數(shù)據(jù)，終端的時(shí)間點(diǎn)設(shè)置為y，在已知通信信號(hào)為4個(gè)的情況下，假設(shè)接收信號(hào)坐標(biāo)參量為，并用fy代表無(wú)線信號(hào)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸速率，對(duì)接收信號(hào)坐標(biāo)參量進(jìn)行補(bǔ)償，定義補(bǔ)償值。以坐標(biāo)參量為例，其補(bǔ)償定值的計(jì)算公式為：。

2.3仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)基于Zigbee協(xié)議設(shè)計(jì)的艦船通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，將其與基于常用數(shù)據(jù)交換協(xié)議設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)艦船通信系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證新型通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。仿真實(shí)驗(yàn)條件為調(diào)用5個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，模擬測(cè)試傳輸數(shù)據(jù)，在測(cè)試的2個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)接收數(shù)據(jù)，連續(xù)測(cè)試60min，共4次測(cè)試的結(jié)果分布如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)通信傳輸速率基本一致?；赯igbee協(xié)議設(shè)計(jì)的艦船通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信速率誤差分布圖如圖4所示，從圖中可以看出，基于Zigbee協(xié)議設(shè)計(jì)的艦船通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)連續(xù)性較好，通信速率誤差分布符合正態(tài)分布。

3結(jié)語(yǔ)

艦船通信系統(tǒng)要認(rèn)清物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用Zigbee協(xié)議對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)、船岸數(shù)據(jù)、通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和時(shí)效性。在艦船通信系統(tǒng)中，基于Zigbee協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸支持高速網(wǎng)絡(luò)配置，能夠適應(yīng)5G通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，有助于提升艦船通信系統(tǒng)的先進(jìn)水平。

作者:陳天文 單位:江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院