舰船通信系统中数据交换协议设计探析

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摘要:舰船通信系统是保证舰船设备运行各项数据实时传输的硬件基础，在通信系统设计中，传统基于CAN总线协议、TCP/IP协议的通信系统难以保证实时通信速率的稳定性，可能存在数据报文丢失、通信质量不高的问题。在物联网快速发展的背景下，舰船通信系统应积极探寻和应用更为稳定成熟的数据交换协议。本文在分析传统数据交换协议的基础上，提出基于Zigbee数据交换协议设计的舰船通信系统，经过仿真实验验证，该通信系统能够保证较为稳定的实时通信速率。

关键词：舰船；通信系统；数据交换协议

0引言

现阶段，网络信息通信技术呈现出快速发展态势。在舰船通信系统中，应借助网络通信技术的应用优势，采用先进的数据交换协议，进一步提高通信系统的性能，保证各类型数据在通信系统中连续不间断稳定传输，提高通信系统的技术装备水平。

1数据交换协议

数据交换协议是通信系统中各类软硬件设计的基础，常用的数据交换协议包括CAN总线协议、NMEA2000协议、TCP/IP协议[1–2]。1.1CAN总线协议CAN总线以国际标准为执行准则，是现场总线中使用最为广泛和成熟的数据交换协议。在CAN总线上，拥有多个主通信方式，各个节点的仲裁段对总线优先级起着决定性作用，可以从结构上保证总线通信的可靠性。CAN总线能够避免某个节点总线出现错误信号，在出现错误后可以将其移除，通信速率为1Mbps，具备较强的抗干扰性。在舰船通信系统中，采用CAN总线协议需要将控制系统、导航系统、监控系统都连接到总线上，保证设备之间的数据有效传输，实现设备的协同运作[3–4]。

1.2NMEA2000协议分层

NMEA2000协议分层以CAN总线为基础，依照OSI模型建立起设备数据交换协议，在舰船通信系统中应用NMEA2000协议，能够满足船载导航、雷达、声呐等多类型的数据交换[5–6]。基于该协议设计的通信系统在数据发送时，可以分为单帧或多帧类型，PDU数据段包括3～8bit，主要用于发送真正内容；在数据接收时，PGN接收表不仅要接收和响应地址管理信息，还要接收硬件接口发送的单帧数据，将数据存储于缓冲区，完成完整报文，对数据进行解析，并对解析数据加上标识，确定数据信息的来源出处。

1.3TCP/IP协议

TCP/IP是互联网通信协议，具备7层模型，对于舰船通信系统而言，常用模型层级包括传输层的TCP协议和UDP协议。TCP协议属于连接通信协议，能够建立起各个设备之间的数据传输通道，提供高质量的通信服务，确保数据发送到接收方；UDP协议属于无连接协议，具备报文封装简单、传输速度快的特点，在低丢包率条件下，报文出错也不会对通信质量产生太大的影响。

2舰船通信系统中的数据交换协议设计

2.1舰船通信系统

舰船通信系统要满足数据实时通信需求，基于网络无线信号形成数据传输链路，借助通信卫星将数据传输到通信点，利用数据解码器输出数据。舰船通信系统应具备数据载入、转换、编码、发送4项重要功能，基于此点要求，通信系统设计5层架构，包括网络数据载入、电路控制、数据处理、信号编码和信号输出架构。在通信系统设计中，各个框架运行流程如图1所示。其中，网络数据载入框架用于网络协议接口与网络功能模块的对接，可以将网络协议内容输入到功能模块中，提供写入支持；数据电路控制框架用于自定义电源控制信号，根据电路接入情况处理信号控制情况；数据处理控制框架以CPU控制中心为平台，全面控制各层的信号通信协议；数据信号编码框架用于对接数据转换接口；数据信号输出框架为数据信号输出与中转网络数据通信提供服务。舰船通信系统的五大硬件集成框架需要配置关键性的硬件设备，包括无线网络接收器、电压控制、存储控制器、数据缓存器、中央处理器、电路逻辑控制器、信号谐波稳定器、信号输出寄存器、数据信号转换器、电流微控器等。通信系统的硬件模组能耗分布如图2所示。

2.2数据交换协议设计框架

常用的数据交换协议主要以有线网络、互联网为依托，虽然能够保证舰船通信的基本需求，但是难以满足通信系统在复杂条件下的高质量、高速率通信要求。所以，本文基于物联网设计舰船通信系统中的数据交换协议，即Zigbee协议，协议包括应用层、网络层、MAC层、PHY层。主要采用的硬件设备为路由器、终端节点和协调器，Zigbee协议采用网络拓扑结构，遵循分布式分配机制，利用Cluster-Tree算法，具体的运作流程为：接收数据包→判断数据包→发送数据包→判断节点路由→沿树形选择路由→判断目的地路由→达到下一个路由。Zigbee协议的应用标准主要执行HA标准，其开发流程更加便捷，只需要建立起函数关系模型就能够实现设备数据交换功能。Zigbee协议在接入网关过程中，可以借助Wifi通信以有线方式接入接口，在成功接入后，Zigbee协议的工作流程包括：初始化串口、网络接口和时间管理中心；在事件列队中加入串口小数；监听事件列队，读取网络数据；判断是否建立连接；建立连接后发送给网关。Zigbee协议的感知层以传感器传输的数据为主，实现在通信系统中的传输，可以从一个终端节点向另一个终端节点传输。为保证(c1,u1,x1)···(c4,u4,x4)(c1,u1,x1)[(c1−c)2+(u1−u)2+(x1−x)2+]v(fy−fy1)数据实时传输速率，Zigbee协议设计要根据硬件接口参数定义数据，从远端接收终端数据，终端的时间点设置为y，在已知通信信号为4个的情况下，假设接收信号坐标参量为，并用fy代表无线信号的数据实时传输速率，对接收信号坐标参量进行补偿，定义补偿值。以坐标参量为例，其补偿定值的计算公式为：。

2.3仿真实验测试

对基于Zigbee协议设计的舰船通信系统进行仿真实验，将其与基于常用数据交换协议设计的传统舰船通信系统的通信稳定性数据进行对比，验证新型通信系统的稳定性和可靠性。仿真实验条件为调用5个卫星信号，模拟测试传输数据，在测试的2个系统中同时接收数据，连续测试60min，共4次测试的结果分布如图3所示，可以发现通信传输速率基本一致。基于Zigbee协议设计的舰船通信系统实时通信速率误差分布图如图4所示，从图中可以看出，基于Zigbee协议设计的舰船通信系统的数据实时连续性较好，通信速率误差分布符合正态分布。

3结语

舰船通信系统要认清物联网时代的发展趋势，应用Zigbee协议对通信系统进行设计，实现设备数据、船岸数据、通信数据的实时传输，保证数据传输的稳定性和时效性。在舰船通信系统中，基于Zigbee协议的数据传输支持高速网络配置，能够适应5G通信网络应用需求，有助于提升舰船通信系统的先进水平。

作者:陈天文 单位:江海职业技术学院