船舶物联网远程数据通信机制研究

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摘要:通信技术的革新使得船舶远程监控系统功能不断完善，这对于降低船舶安全事故、保障航行安全具有重要意义。本文对传感器网络进行研究，设计实现了基于船舶物联网的远程安全监控系统，在ZigBee无线通信协议基础上，提出了拥塞控制算法，有效提高了系统

的数据通信效率。

关键词：物联网；远程安全监控；拥塞控制

0引言

船舶在人们的经济生活中发挥着重要的作用，一方面大部分商品贸易由船舶运输完成，另一方面船舶又是重要的交通出行工具，同时还承担着勘探、开采、国防等重要任务。由于海上环境的复杂性和不可预见性，船舶随时都可能遭遇突发状况，加之船舶造价昂贵，损坏

的代价较高，因此远程安全监控十分必要。安全监控的初级阶段主要依靠人工对讲机或无线电话来完成，高度依赖船舶工作人员的能力和经验，要想实现动态的船舶监控和管理难度极大。随着无线通信技术的发展，利用通信网络以及电子技术对船舶进行功能监测、故障

检测、信息传播成为主要手段。船舶电子监控技术分为有线监控和无线监控，远程监控大多采用无线监控，原因是无线监控具有受制性较小，可变换监控点，后期维护成本较低，适应能力更强等优点[1]。物联网技术的网络通信寻址方式简单可靠，本文对物联网技术应

用于船舶远程安全监控系统的可行性进行研究，利用拥塞控制算法提高了基于船舶物联网的远程安全监控系统的数据通信性能，最后，进行了仿真实验。

1基于船联网的远程安全监控系统

1.1远程监控系统

基于物联网技术的船舶远程安全监控系统结构其主要由实时监控、历史监控数据、编码管理、用户管理等模块构成[2]。1）实时监控。该模块能够实时显示船舶中监控对象的运行状态；2）历史监控数据。该模块能够保存历史监控数据，生成趋势图，为用户提供决策参

考；3）编码管理。该模块能够对系统中的监控设备及其位置进行编码，实现设备的添加、删除和修改等操作；4）用户管理。该模块能够对系统用户进行管理，实现用户的添加、删除和用户权限的变更等功能，同时，对用户资料进行修改和更新。

1.2传感器网络

传感器网络由大量传感器节点构成，其中，每个节点都具有一定的计算能力和通信能力，这些节点被放置在监控对象附近，构成了具有一定智能的网络系统。传感器网络具有隐蔽性强、容错性高和快速部署等特点[3]。基于船舶物联网的远程安全监控系统的特点如下：1

）可以灵活设置船舶监控点，所以，其具有较强的适应能力。2）监测点具有易安装和维护的特点。当系统中的某个监测点出现异常时，系统能够快速定位异常监测点，并及时进行维修。3）系统支持分布式数据存储和数据处理，在监控中心和监控节点都保存了监控数

据，所以，系统具有很高的可靠性。4）传感器网络中的节点具有一定智能性，所以，可以降低参数改变对测量精度造成的影响。主要包括数据采集单元、数据处理单元、无线通信单元以及能源供应单元，实现监控对象的数据采集、数据处理和数据传输等功能[4]。1）

数据采集单元。该单元利用传感器实现数据信息的采集，采集的数据经过转换电路变成电流、电压等模拟信号，再经过调理电路中的AD转换器将模拟信号变成数字信号。2）数据处理单元。该单元负责监控数据的存储和处理、任务调度和能耗管理等功能。3）无线通信

单元。该单元负责节点间的无线通信、数据的传输和命令的交互。4）能源供应单元。该单元负责传感器节点的能量供应。

2数据通信机制

2.1无线通信

ZigBee采用的是IEEE802.15.4协议，该协议由物理层PHY、控制层MAC、网络层NWK以及应用层APL组成，每层都为上层提供管理和数据服务。每层具体描述如下：1）物理层PHY。该层定义了无线信道和MAC间的通信接口。该层为MAC层提供的具体服务有：激活

ZigBee节点；接入ZigBee节点信道；对信道能量进行检测；提供可选择的信道频率；数据发送和接收；对链路通信质量进行检测。2）控制层MAC。该层主要实现对所有无线信道的访问，并发射同步信号，提供MAC实体间的通信链路。该层的具体服务有：生成网络信

标；信标同步；支持PAN的连接和分离；通常信道采用CSMA-CA方式接入。3）网络层NWK。该层是ZigBee协议的核心，主要负责数据传输、路由查询和ZigBee节点的断开或接入。该层的具体服务有：网络生成、网络发现、初始化路由、同步接收、信息维护、设备

初始化、设备的接入或断开。4）应用层APL。该层包括支持层APS、ZigBee设备ZDO等。APS为用户提供网络服务接口、必要函数以及支持用户自定义对象。ZDO功能有：建立设备间的安全机制，对设备角色进行定义，发起绑定请求，搜寻网络设备。ZigBee的工作模

式有信标、非信标2种。其中，在信标工作模式下，所有设备同时处于工作或者休眠状态，能够有效降低设备功耗。在非信标工作模式下，设备处于周期性休眠状态，路由和协调器则一直处在工作状态。

2.2拥塞控制算法

在实际应用中，拥塞控制算法的目标是建立完善的管控系统，对现有缺陷进行弥补。算法的原理是：在运行过程中，如果监控设备出现告警状态，则监控信息不需要发送到管控中心。该算法的主要模块包括管控中心模块、启动模块以及发送模块。1）管控中心模块。管

控中心在拥塞控制中具有主导地位，其利用多种方式实现信息采集，然后对采集信息进行分析和统计，并根据结果做出反应。管控中心负责对所有环节进行管理，对监控点设备进行检测，确保网络的正常运行。一般而言，拥塞控制算法在应用层中执行，算法需要对监控

点状态进行定期检查，保障其处于正常状态，通常间隔时间为180s，如果连接失败或者未收到连接请求，那么认为该网络设备处于异常状态。2）启动模块。管控中心负责启动模块的管理，当管控中心选择启动模式时，启动模块开始工作，其执行过程如下：首先是网络

测试，当管控中心收到网络测试消息后，开始对网络进行测试，通常测试数据包的时间间隔设置为30s，这样既不影响网络的正常运行，也不浪费网络的带宽资源。管控中心计算数据包时延，根据拥塞避免算法，求得窗口大小，并根据情况作出反应。其次是负载判断，

根据公式对网络参数进行计算，主要参数包括RTT、RWND、CWND等。分别对RTT、Tthresh和SWND、NDthresh值进行比较，当Tthresh小于RTT，NDthresh小于SWND值时，网络存在拥塞的概率较高，反之，则认为网络比较畅通。最后是发送信息，在第2步结果

的基础上，当网络处于拥塞状态时，系统自动发出警告信息；当网络处于畅通状态时，系统会向指定地址自动发送监控信息。3）发送模块。该模块是在监控节点的网关中工作，其原理是根据访问控制表ACL实现网络流量控制，以提高网络的数据传输性能，保证网络的

安全性。如果数据的发送位是1，那么，系统可以向指定地址发送信息；如果数据的发送位是0，那么，系统会将该信息丢弃。

3仿真实验

本文搭建仿真平台对基于船舶物联网的远程安全监控系统进行了仿真实验，传感器网络中传感器的数量为20，利用iocomp工业控件实现系统和基站间的数据通信，数据包发送时间间隔为30s。由仿真实验结果可知，本文在ZigBee协议、路由协议、拥塞控制算法等通信

机制基础上设计实现的船舶物联网远程安全监控系统能够实时显示监控对象的运行参数和状态，满足了系统对通信性能的要求。

4结语

在物联网技术被广泛应用于船舶安全监控背景下，如何提高基于船舶物联网的远程安全监控系统中数据通信的效率是本文研究的重点。本文对基于物联网的远程安全监控系统的原理和传感器网络进行了研究，在此基础上，提出了网络拥塞控制算法，最后，进行仿真实验

，且实验结果达到预期。

参考文献：

[1]高鹏,苏志远.基于物联网的远程监控系统[J].软件,2012,33(12):74–77.[2]

作者:庞博 潘力 单位:商丘职业技术学院机电工程系 郑州工程技术学院人事处