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船舶物聯(lián)網(wǎng)遠程數據通信機制研究論文
摘要:通信技術(shù)的革新使得船舶遠程監控系統功能不斷完善，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(jìn)行研究，設計實(shí)現了基于船舶物聯(lián)網(wǎng)的遠程安全監控系統，在ZigBee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議基礎上，提出了擁塞控制算法，有效提高了系統
的數據通信效率。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；遠程安全監控；擁塞控制
0引言
船舶在人們的經(jīng)濟生活中發(fā)揮著(zhù)重要的作用，一方面大部分商品貿易由船舶運輸完成，另一方面船舶又是重要的交通出行工具，同時(shí)還承擔著(zhù)勘探、開(kāi)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(jiàn)性，船舶隨時(shí)都可能遭遇突發(fā)狀況，加之船舶造價(jià)昂貴，損壞的代價(jià)較高，因此遠程安全監控十分必要。安全監控的初級階段主要依靠人工對講機或無(wú)線(xiàn)電話(huà)來(lái)完成，高度依賴(lài)船舶工作人員的能力和經(jīng)驗，要想實(shí)現動(dòng)態(tài)的船舶監控和管理難度極大。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)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(jìn)行功能監測、故障檢測、信息傳播成為主要手段。船舶電子監控技術(shù)分為有線(xiàn)監控和無(wú)線(xiàn)監控，遠程監控大多采用無(wú)線(xiàn)監控，原因是無(wú)線(xiàn)監控具有受制性較小，可變換監控點(diǎn)，后期維護成本較低，適應能力更強等優(yōu)點(diǎn)[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )通信尋址方式簡(jiǎn)單可靠，本文對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于船舶遠程安全監控系統的可行性進(jìn)行研究，利用擁塞控制算法提高了基于船舶物聯(lián)網(wǎng)的遠程安全監控系統的數據通信性能，最后，進(jìn)行了仿真實(shí)驗。
1基于船聯(lián)網(wǎng)的遠程安全監控系統
1.1遠程監控系統
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的船舶遠程安全監控系統結構其主要由實(shí)時(shí)監控、歷史監控數據、編碼管理、用戶(hù)管理等模塊構成[2]。1）實(shí)時(shí)監控。該模塊能夠實(shí)時(shí)顯示船舶中監控對象的運行狀態(tài)；2）歷史監控數據。該模塊能夠保存歷史監控數據，生成趨勢圖，為用戶(hù)提供決策參考；3）編碼管理。該模塊能夠對系統中的監控設備及其位置進(jìn)行編碼，實(shí)現設備的添加、刪除和修改等操作；4）用戶(hù)管理。該模塊能夠對系統用戶(hù)進(jìn)行管理，實(shí)現用戶(hù)的添加、刪除和用戶(hù)權限的變更等功能，同時(shí)，對用戶(hù)資料進(jìn)行修改和更新。
1.2傳感器網(wǎng)絡(luò )
傳感器網(wǎng)絡(luò )由大量傳感器節點(diǎn)構成，其中，每個(gè)節點(diǎn)都具有一定的計算能力和通信能力，這些節點(diǎn)被放置在監控對象附近，構成了具有一定智能的網(wǎng)絡(luò )系統。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(diǎn)[3]�；诖拔锫�(lián)網(wǎng)的遠程安全監控系統的特點(diǎn)如下：1）可以靈活設置船舶監控點(diǎn)，所以，其具有較強的適應能力。2）監測點(diǎn)具有易安裝和維護的特點(diǎn)。當系統中的某個(gè)監測點(diǎn)出現異常時(shí)，系統能夠快速定位異常監測點(diǎn)，并及時(shí)進(jìn)行維修。3）系統支持分布式數據存儲和數據處理，在監控中心和監控節點(diǎn)都保存了監控數據，所以，系統具有很高的可靠性。4）傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)具有一定智能性，所以，可以降低參數改變對測量精度造成的影響。主要包括數據采集單元、數據處理單元、無(wú)線(xiàn)通信單元以及能源供應單元，實(shí)現監控對象的數據采集、數據處理和數據傳輸等功能[4]。1）數據采集單元。該單元利用傳感器實(shí)現數據信息的采集，采集的數據經(jīng)過(guò)轉換電路變成電流、電壓等模擬信號，再經(jīng)過(guò)調理電路中的AD轉換器將模擬信號變成數字信號。2）數據處理單元。該單元負責監控數據的存儲和處理、任務(wù)調度和能耗管理等功能。3）無(wú)線(xiàn)通信單元。該單元負責節點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)通信、數據的傳輸和命令的交互。4）能源供應單元。該單元負責傳感器節點(diǎn)的能量供應。
2數據通信機制
2.1無(wú)線(xiàn)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以及應用層APL組成，每層都為上層提供管理和數據服務(wù)。每層具體描述如下：1）物理層PHY。該層定義了無(wú)線(xiàn)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節點(diǎn)；接入ZigBee節點(diǎn)信道；對信道能量進(jìn)行檢測；提供可選擇的信道頻率；數據發(fā)送和接收；對鏈路通信質(zhì)量進(jìn)行檢測。2）控制層MAC。該層主要實(shí)現對所有無(wú)線(xiàn)信道的訪(fǎng)問(wèn)，并發(fā)射同步信號，提供MAC實(shí)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，主要負責數據傳輸、路由查詢(xún)和ZigBee節點(diǎn)的斷開(kāi)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、初始化路由、同步接收、信息維護、設備初始化、設備的接入或斷開(kāi)。4）應用層APL。該層包括支持層APS、ZigBee設備ZDO等。APS為用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò )服務(wù)接口、必要函數以及支持用戶(hù)自定義對象。ZDO功能有：建立設備間的安全機制，對設備角色進(jìn)行定義，發(fā)起綁定請求，搜尋網(wǎng)絡(luò )設備。ZigBee的工作模式有信標、非信標2種。其中，在信標工作模式下，所有設備同時(shí)處于工作或者休眠狀態(tài)，能夠有效降低設備功耗。在非信標工作模式下，設備處于周期性休眠狀態(tài)，路由和協(xié)調器則一直處在工作狀態(tài)。
2.2擁塞控制算法
在實(shí)際應用中，擁塞控制算法的目標是建立完善的管控系統，對現有缺陷進(jìn)行彌補。算法的原理是：在運行過(guò)程中，如果監控設備出現告警狀態(tài)，則監控信息不需要發(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(dòng)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(shí)現信息采集，然后對采集信息進(jìn)行分析和統計，并根據結果做出反應。管控中心負責對所有環(huán)節進(jìn)行管理，對監控點(diǎn)設備進(jìn)行檢測，確保網(wǎng)絡(luò )的正常運行。一般而言，擁塞控制算法在應用層中執行，算法需要對監控點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行定期檢查，保障其處于正常狀態(tài)，通常間隔時(shí)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 )設備處于異常狀態(tài)。2）啟動(dòng)模塊。管控中心負責啟動(dòng)模塊的管理，當管控中心選擇啟動(dòng)模式時(shí)，啟動(dòng)模塊開(kāi)始工作，其執行過(guò)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(kāi)始對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試，通常測試數據包的時(shí)間間隔設置為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。管控中心計算數據包時(shí)延，根據擁塞避免算法，求得窗口大小，并根據情況作出反應。其次是負載判斷，根據公式對網(wǎng)絡(luò )參數進(jìn)行計算，主要參數包括RTT、RWND、CWND等。分別對RTT、Tthresh和SWND、NDthresh值進(jìn)行比較，當Tthresh小于RTT，NDthresh小于SWND值時(shí)，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步結果的基礎上，當網(wǎng)絡(luò )處于擁塞狀態(tài)時(shí)，系統自動(dòng)發(fā)出警告信息；當網(wǎng)絡(luò )處于暢通狀態(tài)時(shí)，系統會(huì )向指定地址自動(dòng)發(fā)送監控信息。3）發(fā)送模塊。該模塊是在監控節點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)中工作，其原理是根據訪(fǎng)問(wèn)控制表ACL實(shí)現網(wǎng)絡(luò )流量控制，以提高網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸性能，保證網(wǎng)絡(luò )的安全性。如果數據的發(fā)送位是1，那么，系統可以向指定地址發(fā)送信息；如果數據的發(fā)送位是0，那么，系統會(huì )將該信息丟棄。
3仿真實(shí)驗
本文搭建仿真平臺對基于船舶物聯(lián)網(wǎng)的遠程安全監控系統進(jìn)行了仿真實(shí)驗，傳感器網(wǎng)絡(luò )中傳感器的數量為20，利用iocomp工業(yè)控件實(shí)現系統和基站間的數據通信，數據包發(fā)送時(shí)間間隔為30s。由仿真實(shí)驗結果可知，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上設計實(shí)現的船舶物聯(lián)網(wǎng)遠程安全監控系統能夠實(shí)時(shí)顯示監控對象的運行參數和狀態(tài)，滿(mǎn)足了系統對通信性能的要求。
4結語(yǔ)
在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應用于船舶安全監控背景下，如何提高基于船舶物聯(lián)網(wǎng)的遠程安全監控系統中數據通信的效率是本文研究的重點(diǎn)。本文對基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程安全監控系統的原理和傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了研究，在此基礎上，提出了網(wǎng)絡(luò )擁塞控制算法，最后，進(jìn)行仿真實(shí)驗，且實(shí)驗結果達到預期。
參考文獻：
[1]高鵬,蘇志遠.基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程監控系統[J].軟件,2012,33(12):74–77.[2]
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