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船舶物聯網遠程數據通信機制研究論文
摘要:通信技術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。本文對傳感器網絡進行研究，設計實現了基于船舶物聯網的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)，在ZigBee無線通信協議基礎上，提出了擁塞控制算法，有效提高了系統(tǒng)
的數據通信效率。
關鍵詞：物聯網；遠程安全監(jiān)控；擁塞控制
0引言
船舶在人們的經濟生活中發(fā)揮著重要的作用，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，同時還承擔著勘探、開采、國防等重要任務。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驗，要想實現動態(tài)的船舶監(jiān)控和管理難度極大。隨著無線通信技術的發(fā)展，利用通信網絡以及電子技術對船舶進行功能監(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，適應能力更強等優(yōu)點[1]。物聯網技術的網絡通信尋址方式簡單可靠，本文對物聯網技術應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網的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)的數據通信性能，最后，進行了仿真實驗。
1基于船聯網的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)
1.1遠程監(jiān)控系統(tǒng)
基于物聯網技術的船舶遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)結構其主要由實時監(jiān)控、歷史監(jiān)控數據、編碼管理、用戶管理等模塊構成[2]。1）實時監(jiān)控。該模塊能夠實時顯示船舶中監(jiān)控對象的運行狀態(tài)；2）歷史監(jiān)控數據。該模塊能夠保存歷史監(jiān)控數據，生成趨勢圖，為用戶提供決策參考；3）編碼管理。該模塊能夠對系統(tǒng)中的監(jiān)控設備及其位置進行編碼，實現設備的添加、刪除和修改等操作；4）用戶管理。該模塊能夠對系統(tǒng)用戶進行管理，實現用戶的添加、刪除和用戶權限的變更等功能，同時，對用戶資料進行修改和更新。
1.2傳感器網絡
傳感器網絡由大量傳感器節(jié)點構成，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，構成了具有一定智能的網絡系統(tǒng)。傳感器網絡具有隱蔽性強、容錯性高和快速部署等特點[3]。基于船舶物聯網的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)的特點如下：1）可以靈活設置船舶監(jiān)控點，所以，其具有較強的適應能力。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)支持分布式數據存儲和數據處理，在監(jiān)控中心和監(jiān)控節(jié)點都保存了監(jiān)控數據，所以，系統(tǒng)具有很高的可靠性。4）傳感器網絡中的節(jié)點具有一定智能性，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、無線通信單元以及能源供應單元，實現監(jiān)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現數據信息的采集，采集的數據經過轉換電路變成電流、電壓等模擬信號，再經過調理電路中的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(jiān)控數據的存儲和處理、任務調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(jié)點的能量供應。
2數據通信機制
2.1無線通信
ZigBee采用的是IEEE802.15.4協議，該協議由物理層PHY、控制層MAC、網絡層NWK以及應用層APL組成，每層都為上層提供管理和數據服務。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；數據發(fā)送和接收；對鏈路通信質量進行檢測。2）控制層MAC。該層主要實現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。該層的具體服務有：生成網絡信標；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）網絡層NWK。該層是ZigBee協議的核心，主要負責數據傳輸、路由查詢和ZigBee節(jié)點的斷開或接入。該層的具體服務有：網絡生成、網絡發(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。4）應用層APL。該層包括支持層APS、ZigBee設備ZDO等。APS為用戶提供網絡服務接口、必要函數以及支持用戶自定義對象。ZDO功能有：建立設備間的安全機制，對設備角色進行定義，發(fā)起綁定請求，搜尋網絡設備。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)，路由和協調器則一直處在工作狀態(tài)。
2.2擁塞控制算法
在實際應用中，擁塞控制算法的目標是建立完善的管控系統(tǒng)，對現有缺陷進行彌補。算法的原理是：在運行過程中，如果監(jiān)控設備出現告警狀態(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信息采集，然后對采集信息進行分析和統(tǒng)計，并根據結果做出反應。管控中心負責對所有環(huán)節(jié)進行管理，對監(jiān)控點設備進行檢測，確保網絡的正常運行。一般而言，擁塞控制算法在應用層中執(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，那么認為該網絡設備處于異常狀態(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：首先是網絡測試，當管控中心收到網絡測試消息后，開始對網絡進行測試，通常測試數據包的時間間隔設置為30s，這樣既不影響網絡的正常運行，也不浪費網絡的帶寬資源。管控中心計算數據包時延，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，根據公式對網絡參數進行計算，主要參數包括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，網絡存在擁塞的概率較高，反之，則認為網絡比較暢通。最后是發(fā)送信息，在第2步結果的基礎上，當網絡處于擁塞狀態(tài)時，系統(tǒng)自動發(fā)出警告信息；當網絡處于暢通狀態(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)點的網關中工作，其原理是根據訪問控制表ACL實現網絡流量控制，以提高網絡的數據傳輸性能，保證網絡的安全性。如果數據的發(fā)送位是1，那么，系統(tǒng)可以向指定地址發(fā)送信息；如果數據的發(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網的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)進行了仿真實驗，傳感器網絡中傳感器的數量為20，利用iocomp工業(yè)控件實現系統(tǒng)和基站間的數據通信，數據包發(fā)送時間間隔為30s。由仿真實驗結果可知，本文在ZigBee協議、路由協議、擁塞控制算法等通信機制基礎上設計實現的船舶物聯網遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠實時顯示監(jiān)控對象的運行參數和狀態(tài)，滿足了系統(tǒng)對通信性能的要求。
4結語
在物聯網技術被廣泛應用于船舶安全監(jiān)控背景下，如何提高基于船舶物聯網的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)中數據通信的效率是本文研究的重點。本文對基于物聯網的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)的原理和傳感器網絡進行了研究，在此基礎上，提出了網絡擁塞控制算法，最后，進行仿真實驗，且實驗結果達到預期。
參考文獻：
[1]高鵬,蘇志遠.基于物聯網的遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].軟件,2012,33(12):74–77.[2]
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