船舶物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信機(jī)制研究論文
摘要:通信技術(shù)的革新使得船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能不斷完善，這對(duì)于降低船舶安全事故、保障航行安全具有重要意義。本文對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于船舶物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)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(yuǎn)程安全監(jiān)控；擁塞控制
0引言
船舶在人們的經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(dān)著勘探、開采、國(guó)防等重要任務(wù)。由于海上環(huán)境的復(fù)雜性和不可預(yù)見性，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(yuǎn)程安全監(jiān)控十分必要。安全監(jiān)控的初級(jí)階段主要依靠人工對(duì)講機(jī)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(yàn)，要想實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(duì)船舶進(jìn)行功能監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)、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(yuǎn)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(diǎn)，后期維護(hù)成本較低，適應(yīng)能力更強(qiáng)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(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于船舶遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)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(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信性能，最后，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。
1基于船聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)
1.1遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的船舶遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其主要由實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、編碼管理、用戶管理等模塊構(gòu)成[2]。1）實(shí)時(shí)監(jiān)控。該模塊能夠?qū)崟r(shí)顯示船舶中監(jiān)控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)；2）歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。該模塊能夠保存歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，生成趨勢(shì)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(jìn)行編碼，實(shí)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(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)用戶的添加、刪除和用戶權(quán)限的變更等功能，同時(shí)，對(duì)用戶資料進(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(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有一定的計(jì)算能力和通信能力，這些節(jié)點(diǎn)被放置在監(jiān)控對(duì)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(qiáng)、容錯(cuò)性高和快速部署等特點(diǎn)[3]�；诖拔锫�(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：1）可以靈活設(shè)置船舶監(jiān)控點(diǎn)，所以，其具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有易安裝和維護(hù)的特點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)中的某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)能夠快速定位異常監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并及時(shí)進(jìn)行維修。3）系統(tǒng)支持分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理，在監(jiān)控中心和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)都保存了監(jiān)控?cái)?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(diǎn)具有一定智能性，所以，可以降低參數(shù)改變對(duì)測(cè)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(shí)現(xiàn)監(jiān)控對(duì)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(shí)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(hào)，再經(jīng)過調(diào)理電路中的AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)。2）數(shù)據(jù)處理單元。該單元負(fù)責(zé)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)。
2數(shù)據(jù)通信機(jī)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(diǎn)；接入ZigBee節(jié)點(diǎn)信道；對(duì)信道能量進(jìn)行檢測(cè)；提供可選擇的信道頻率；數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；對(duì)鏈路通信質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。2）控制層MAC。該層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)所有無線信道的訪問，并發(fā)射同步信號(hào)，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(biāo)；信標(biāo)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸、路由查詢和ZigBee節(jié)點(diǎn)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(hù)、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(duì)象。ZDO功能有：建立設(shè)備間的安全機(jī)制，對(duì)設(shè)備角色進(jìn)行定義，發(fā)起綁定請(qǐng)求，搜尋網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。ZigBee的工作模式有信標(biāo)、非信標(biāo)2種。其中，在信標(biāo)工作模式下，所有設(shè)備同時(shí)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(biāo)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(shí)際應(yīng)用中，擁塞控制算法的目標(biāo)是建立完善的管控系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)。算法的原理是：在運(yùn)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(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(dǎo)地位，其利用多種方式實(shí)現(xiàn)信息采集，然后對(duì)采集信息進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)結(jié)果做出反應(yīng)。管控中心負(fù)責(zé)對(duì)所有環(huán)節(jié)進(jìn)行管理，對(duì)監(jiān)控點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，確保網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)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(duì)監(jiān)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(qǐng)求，那么認(rèn)為該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處于異常狀態(tài)。2）啟動(dòng)模塊。管控中心負(fù)責(zé)啟動(dòng)模塊的管理，當(dāng)管控中心選擇啟動(dòng)模式時(shí)，啟動(dòng)模塊開始工作，其執(zhí)行過程如下：首先是網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，當(dāng)管控中心收到網(wǎng)絡(luò)測(cè)試消息后，開始對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，通常測(cè)試數(shù)據(jù)包的.時(shí)間間隔設(shè)置為30s，這樣既不影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，也不浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源。管控中心計(jì)算數(shù)據(jù)包時(shí)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(fù)載判斷，根據(jù)公式對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，主要參數(shù)包括RTT、RWND、CWND等。分別對(duì)RTT、Tthresh和SWND、NDthresh值進(jìn)行比較，當(dāng)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(rèn)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于擁塞狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警告信息；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于暢通狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向指定地址自動(dòng)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(diǎn)的網(wǎng)關(guān)中工作，其原理是根據(jù)訪問控制表ACL實(shí)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(huì)將該信息丟棄。
3仿真實(shí)驗(yàn)
本文搭建仿真平臺(tái)對(duì)基于船舶物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(shí)間間隔為30s。由仿真實(shí)驗(yàn)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(jī)制基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的船舶物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示監(jiān)控對(duì)象的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，滿足了系統(tǒng)對(duì)通信性能的要求。
4結(jié)語(yǔ)
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(yuǎn)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(diǎn)。本文對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)的原理和傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期。
參考文獻(xiàn)：
[1]高鵬,蘇志遠(yuǎn).基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].軟件,2012,33(12):74–77.[2]
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