船舶物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信機制研究論文
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(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(dān)著勘探、開采、國防等重要任務(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(yuǎn)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(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,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(yuǎn)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(yuǎn)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(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]。基于船舶物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)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(dāng)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)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(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(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(dǎo)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(fù)責(zé)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(rèn)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(fù)責(zé)啟動模塊的管理,當(dāng)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(dāng)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(fù)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(dāng)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(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,系統(tǒng)自動發(fā)出警告信息;當(dāng)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(yuǎn)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(yuǎn)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(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。本文對基于物聯(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(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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