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。本文對傳感器網絡進行研究，設計實現了基于船舶物聯網的遠程安全監控系統，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
的數據通信效率。
關鍵詞：物聯網；遠程安全監控；擁塞控制
0引言
船舶在人們的經濟生活中發揮著重要的作用，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。由于海上環境的復雜性和不可預見性，船舶隨時都可能遭遇突發狀況，加之船舶造價昂貴，損壞的代價較高，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，要想實現動態的船舶監控和管理難度極大。隨著無線通信技術的發展，利用通信網絡以及電子技術對船舶進行功能監測、故障檢測、信息傳播成為主要手段。船舶電子監控技術分為有線監控和無線監控，遠程監控大多采用無線監控，原因是無線監控具有受制性較小，可變換監控點，后期維護成本較低，適應能力更強等優點[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控系統的可行性進行研究，利用擁塞控制算法提高了基于船舶物聯網的遠程安全監控系統的數據通信性能，最后，進行了仿真實驗。
1基于船聯網的遠程安全監控系統
1.1遠程監控系統
基于物聯網技術的船舶遠程安全監控系統結構其主要由實時監控、歷史監控數據、編碼管理、用戶管理等模塊構成[2]。1）實時監控。該模塊能夠實時顯示船舶中監控對象的運行狀態；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點構成，其中，每個節點都具有一定的計算能力和通信能力，這些節點被放置在監控對象附近，構成了具有一定智能的網絡系統。傳感器網絡具有隱蔽性強、容錯性高和快速部署等特點[3]�；诖拔锫摼W的遠程安全監控系統的特點如下：1）可以靈活設置船舶監控點，所以，其具有較強的適應能力。2）監測點具有易安裝和維護的特點。當系統中的某個監測點出現異常時，系統能夠快速定位異常監測點，并及時進行維修。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）傳感器網絡中的節點具有一定智能性，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節點；接入ZigBee節點信道；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節點的斷開或接入。該層的具體服務有：網絡生成、網絡發現、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，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，路由和協調器則一直處在工作狀態。
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，對現有缺陷進行彌補。算法的原理是：在運行過程中，如果監控設備出現告警狀態，則監控信息不需要發送到管控中心。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計，并根據結果做出反應。管控中心負責對所有環節進行管理，對監控點設備進行檢測，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行，算法需要對監控點狀態進行定期檢查，保障其處于正常狀態，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。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。最后是發送信息，在第2步結果的基礎上，當網絡處于擁塞狀態時，系統自動發出警告信息；當網絡處于暢通狀態時，系統會向指定地址自動發送監控信息。3）發送模塊。該模塊是在監控節點的網關中工作，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。如果數據的發送位是1，那么，系統可以向指定地址發送信息；如果數據的發送位是0，那么，系統會將該信息丟棄。
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控系統進行了仿真實驗，傳感器網絡中傳感器的數量為20，利用iocomp工業控件實現系統和基站間的數據通信，數據包發送時間間隔為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控系統能夠實時顯示監控對象的運行參數和狀態，滿足了系統對通信性能的要求。
4結語
在物聯網技術被廣泛應用于船舶安全監控背景下，如何提高基于船舶物聯網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。本文對基于物聯網的遠程安全監控系統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控系統[J].軟件,2012,33(12):74–77.[2]
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