船舶物聯(lián)網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)通信機制研究

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摘要:通信技術(shù)的革新使得船舶遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能不斷完善，這對于降低船舶安全事故、保障航行安全具有重要意義。本文對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行研究，設(shè)計實現(xiàn)了基于船舶物聯(lián)網(wǎng)的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)，在ZigBee無線通信協(xié)議基礎(chǔ)上，提出了擁塞控制算法，有效提高了系統(tǒng)

的數(shù)據(jù)通信效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；遠程安全監(jiān)控；擁塞控制

0引言

船舶在人們的經(jīng)濟生活中發(fā)揮著重要的作用，一方面大部分商品貿(mào)易由船舶運輸完成，另一方面船舶又是重要的交通出行工具，同時還承擔著勘探、開采、國防等重要任務(wù)。由于海上環(huán)境的復雜性和不可預見性，船舶隨時都可能遭遇突發(fā)狀況，加之船舶造價昂貴，損壞

的代價較高，因此遠程安全監(jiān)控十分必要。安全監(jiān)控的初級階段主要依靠人工對講機或無線電話來完成，高度依賴船舶工作人員的能力和經(jīng)驗，要想實現(xiàn)動態(tài)的船舶監(jiān)控和管理難度極大。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，利用通信網(wǎng)絡(luò)以及電子技術(shù)對船舶進行功能監(jiān)測、故障

檢測、信息傳播成為主要手段。船舶電子監(jiān)控技術(shù)分為有線監(jiān)控和無線監(jiān)控，遠程監(jiān)控大多采用無線監(jiān)控，原因是無線監(jiān)控具有受制性較小，可變換監(jiān)控點，后期維護成本較低，適應(yīng)能力更強等優(yōu)點[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)通信尋址方式簡單可靠，本文對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)

用于船舶遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)的可行性進行研究，利用擁塞控制算法提高了基于船舶物聯(lián)網(wǎng)的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信性能，最后，進行了仿真實驗。

1基于船聯(lián)網(wǎng)的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)

1.1遠程監(jiān)控系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的船舶遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其主要由實時監(jiān)控、歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)、編碼管理、用戶管理等模塊構(gòu)成[2]。1）實時監(jiān)控。該模塊能夠?qū)崟r顯示船舶中監(jiān)控對象的運行狀態(tài)；2）歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)。該模塊能夠保存歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)，生成趨勢圖，為用戶提供決策參

考；3）編碼管理。該模塊能夠?qū)ο到y(tǒng)中的監(jiān)控設(shè)備及其位置進行編碼，實現(xiàn)設(shè)備的添加、刪除和修改等操作；4）用戶管理。該模塊能夠?qū)ο到y(tǒng)用戶進行管理，實現(xiàn)用戶的添加、刪除和用戶權(quán)限的變更等功能，同時，對用戶資料進行修改和更新。

1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量傳感器節(jié)點構(gòu)成，其中，每個節(jié)點都具有一定的計算能力和通信能力，這些節(jié)點被放置在監(jiān)控對象附近，構(gòu)成了具有一定智能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有隱蔽性強、容錯性高和快速部署等特點[3]?；诖拔锫?lián)網(wǎng)的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)的特點如下：1

）可以靈活設(shè)置船舶監(jiān)控點，所以，其具有較強的適應(yīng)能力。2）監(jiān)測點具有易安裝和維護的特點。當系統(tǒng)中的某個監(jiān)測點出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)能夠快速定位異常監(jiān)測點，并及時進行維修。3）系統(tǒng)支持分布式數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理，在監(jiān)控中心和監(jiān)控節(jié)點都保存了監(jiān)控數(shù)

據(jù)，所以，系統(tǒng)具有很高的可靠性。4）傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具有一定智能性，所以，可以降低參數(shù)改變對測量精度造成的影響。主要包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線通信單元以及能源供應(yīng)單元，實現(xiàn)監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘4]。1）

數(shù)據(jù)采集單元。該單元利用傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電流、電壓等模擬信號，再經(jīng)過調(diào)理電路中的AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號變成數(shù)字信號。2）數(shù)據(jù)處理單元。該單元負責監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲和處理、任務(wù)調(diào)度和能耗管理等功能。3）無線通信

單元。該單元負責節(jié)點間的無線通信、數(shù)據(jù)的傳輸和命令的交互。4）能源供應(yīng)單元。該單元負責傳感器節(jié)點的能量供應(yīng)。

2數(shù)據(jù)通信機制

2.1無線通信

ZigBee采用的是IEEE802.15.4協(xié)議，該協(xié)議由物理層PHY、控制層MAC、網(wǎng)絡(luò)層NWK以及應(yīng)用層APL組成，每層都為上層提供管理和數(shù)據(jù)服務(wù)。每層具體描述如下：1）物理層PHY。該層定義了無線信道和MAC間的通信接口。該層為MAC層提供的具體服務(wù)有：激活

ZigBee節(jié)點；接入ZigBee節(jié)點信道；對信道能量進行檢測；提供可選擇的信道頻率；數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；對鏈路通信質(zhì)量進行檢測。2）控制層MAC。該層主要實現(xiàn)對所有無線信道的訪問，并發(fā)射同步信號，提供MAC實體間的通信鏈路。該層的具體服務(wù)有：生成網(wǎng)絡(luò)信

標；信標同步；支持PAN的連接和分離；通常信道采用CSMA-CA方式接入。3）網(wǎng)絡(luò)層NWK。該層是ZigBee協(xié)議的核心，主要負責數(shù)據(jù)傳輸、路由查詢和ZigBee節(jié)點的斷開或接入。該層的具體服務(wù)有：網(wǎng)絡(luò)生成、網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、初始化路由、同步接收、信息維護、設(shè)備

初始化、設(shè)備的接入或斷開。4）應(yīng)用層APL。該層包括支持層APS、ZigBee設(shè)備ZDO等。APS為用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口、必要函數(shù)以及支持用戶自定義對象。ZDO功能有：建立設(shè)備間的安全機制，對設(shè)備角色進行定義，發(fā)起綁定請求，搜尋網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。ZigBee的工作模

式有信標、非信標2種。其中，在信標工作模式下，所有設(shè)備同時處于工作或者休眠狀態(tài)，能夠有效降低設(shè)備功耗。在非信標工作模式下，設(shè)備處于周期性休眠狀態(tài)，路由和協(xié)調(diào)器則一直處在工作狀態(tài)。

2.2擁塞控制算法

在實際應(yīng)用中，擁塞控制算法的目標是建立完善的管控系統(tǒng)，對現(xiàn)有缺陷進行彌補。算法的原理是：在運行過程中，如果監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)告警狀態(tài)，則監(jiān)控信息不需要發(fā)送到管控中心。該算法的主要模塊包括管控中心模塊、啟動模塊以及發(fā)送模塊。1）管控中心模塊。管

控中心在擁塞控制中具有主導地位，其利用多種方式實現(xiàn)信息采集，然后對采集信息進行分析和統(tǒng)計，并根據(jù)結(jié)果做出反應(yīng)。管控中心負責對所有環(huán)節(jié)進行管理，對監(jiān)控點設(shè)備進行檢測，確保網(wǎng)絡(luò)的正常運行。一般而言，擁塞控制算法在應(yīng)用層中執(zhí)行，算法需要對監(jiān)控

點狀態(tài)進行定期檢查，保障其處于正常狀態(tài)，通常間隔時間為180s，如果連接失敗或者未收到連接請求，那么認為該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處于異常狀態(tài)。2）啟動模塊。管控中心負責啟動模塊的管理，當管控中心選擇啟動模式時，啟動模塊開始工作，其執(zhí)行過程如下：首先是網(wǎng)絡(luò)

測試，當管控中心收到網(wǎng)絡(luò)測試消息后，開始對網(wǎng)絡(luò)進行測試，通常測試數(shù)據(jù)包的時間間隔設(shè)置為30s，這樣既不影響網(wǎng)絡(luò)的正常運行，也不浪費網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源。管控中心計算數(shù)據(jù)包時延，根據(jù)擁塞避免算法，求得窗口大小，并根據(jù)情況作出反應(yīng)。其次是負載判斷，

根據(jù)公式對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行計算，主要參數(shù)包括RTT、RWND、CWND等。分別對RTT、Tthresh和SWND、NDthresh值進行比較，當Tthresh小于RTT，NDthresh小于SWND值時，網(wǎng)絡(luò)存在擁塞的概率較高，反之，則認為網(wǎng)絡(luò)比較暢通。最后是發(fā)送信息，在第2步結(jié)果

的基礎(chǔ)上，當網(wǎng)絡(luò)處于擁塞狀態(tài)時，系統(tǒng)自動發(fā)出警告信息；當網(wǎng)絡(luò)處于暢通狀態(tài)時，系統(tǒng)會向指定地址自動發(fā)送監(jiān)控信息。3）發(fā)送模塊。該模塊是在監(jiān)控節(jié)點的網(wǎng)關(guān)中工作，其原理是根據(jù)訪問控制表ACL實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量控制，以提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能，保證網(wǎng)絡(luò)的

安全性。如果數(shù)據(jù)的發(fā)送位是1，那么，系統(tǒng)可以向指定地址發(fā)送信息；如果數(shù)據(jù)的發(fā)送位是0，那么，系統(tǒng)會將該信息丟棄。

3仿真實驗

本文搭建仿真平臺對基于船舶物聯(lián)網(wǎng)的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)進行了仿真實驗，傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的數(shù)量為20，利用iocomp工業(yè)控件實現(xiàn)系統(tǒng)和基站間的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)包發(fā)送時間間隔為30s。由仿真實驗結(jié)果可知，本文在ZigBee協(xié)議、路由協(xié)議、擁塞控制算法等通信

機制基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)的船舶物聯(lián)網(wǎng)遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示監(jiān)控對象的運行參數(shù)和狀態(tài)，滿足了系統(tǒng)對通信性能的要求。

4結(jié)語

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于船舶安全監(jiān)控背景下，如何提高基于船舶物聯(lián)網(wǎng)的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信的效率是本文研究的重點。本文對基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)的原理和傳感器網(wǎng)絡(luò)進行了研究，在此基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法，最后，進行仿真實驗

，且實驗結(jié)果達到預期。

參考文獻：

[1]高鵬,蘇志遠.基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].軟件,2012,33(12):74–77.[2]

作者:龐博 潘力 單位:商丘職業(yè)技術(shù)學院機電工程系 鄭州工程技術(shù)學院人事處