嵌入式技术舰船无线网络智能控制探析

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摘要:常规系统搭建无线控制网络时，节点发射功率未达到最佳，导致数据传输的网络吞吐量较低。针对这一问题，设计嵌入式技术的舰船无线网络智能控制系统。硬件方面，嵌入传感器至微控制器，通过外围IO控制、无线通信等，组成系统框架；软件方面，抽象处理网络节点使用信道，通过节点相互博弈，确定最佳发射功率，输出惯性力矩和电机驱动的射出功率，智能控制舰船航速航向。仿真无线网络拓扑结构，设置对比实验，结果表明，在互访业务和Internet业务2种模式下，设计系统的网络吞吐量，明显高于常规系统，拥有更好的网络传输性能。

关键词：无线网络；智能控制；嵌入式；系统设计

0引言

在复杂的海上环境，海上作业对舰船航行提出更高要求，因此，研究无线网络智能控制系统，对舰船进行远程遥控，实现自动靠泊、自主航行等功能，具有重要意义。文献[1]利用主配的单独馈线，连接舰船设备和配电箱，引入微分控制概念，比例控制自动舵，实现舰船智能控制，但该方法振荡行为的控制增益较高，网络吞吐量较低[1]。文献[2]选取模糊控制器，查询舰船性能指数，将指数存储到矩阵格式，自动合成性能特征，形成航向运行的控制规则，在无线网络环境下，利用神经网络的学习功能，模拟不同工况条件下的自动舵，PID控制舰船航向，但该方法比例系数的补偿效果未达到预期，网络吞吐量同样较低[2]。针对这一问题，结合以上理论，基于嵌入式技术，设计舰船无线网络智能控制系统，操纵舰船航迹。

1嵌入式技术的舰船无线网络智能控制系统设计

1.1嵌入式控制系统硬件设计

在微控制器中嵌入传感设备，构建系统硬件结构。选取LPC2294型号微控制器，将TMS26155芯片作为控制系统的主控芯片，该芯片采用哈佛结构，划分存储器空间，得到程序存储空间和数据存储空间，主控设备为电推机、电机等，对外围设备进行28位浮点型运算。通过模拟数字信号转换、外围IO控制、无线通信、H桥驱动、电源，组成系统总体框架。模拟数字信号转换模块，选取ADS6291模数转换器，通过0～10V电压控制电机驱动器，驱动机类型选择直流电机，采用标准二进制编码，在基准输入和电源引脚中，加入去耦电容，单极性输出电压范围。转换器和主控芯片通过SPI总线通信，由4根线组成接口引脚，分别为主器件的数据输出、输入，从器件的数据输出、输入，主器件的SPI总线时钟信号输出，从器件的使能信号输出[3]。无线通信模块采用RS628接口，连接岸基手操盒和工控机，通过高低电平表示不同的逻辑状态，集成元件的通信接口，使用GND，RXD，TXD3种类型引脚，参数如表1所示。利用串口形式，实现手操盒和工控机的无线通信，并在智能控制单元中，加入无线数传模块，当舰船工况机故障时，通过数传模块切换无线通信协议，直接控制嵌入式航速航向控制板。至此完成嵌入式控制系统硬件设计。

1.2系统软件设计

1.2.1搭建无线控制网络G搭建无线控制网络，采集、反馈舰船运动状态。通过MAC协议，动态调整无线网络的节点距离、信道状态，将网络拓扑结构的连通性考虑在内，根据节点剩余能量，定义无线网络信干燥比，计算公式为：G=adifi(Smax/Si)U(Smax/Si)+h2。(1)adiifiiUSiiSmaxi其中：为信道带宽的扩频增益；为节点到网关节点的链路增益；为节点的接收信干噪；为数据传输期间，干扰半径内节点产生的干扰总和；为节点剩余能量；为节点最大能量。Pi对节点使用信道进行抽象处理，通过节点间的相互博弈，确定网络节点的最佳发射功率，功率支付函数表达式为：Pi=blog2(1+Di)−W(Di)qi。(2)DiibW(Di)qii其中：为节点策略空间；为信道上具有同频干扰的节点数量；为策略空间的最大收益；为节点效用因子[4]。GPi通过信干燥比，使节点快速收敛到纳什均衡点，然后给定功率至每个节点，令网络节点发射功率，构成具有绝对控制中心的无线传感网络。1.2.2智能控制舰船航速航向建立舰船运动坐标系，由无线网络输出功率，智能控制舰船航速航向。仅考虑航速控制，把舰船姿态简化为三自由度的运动，构建舰船动力学方程，表达式为：(m+my)v=Iyv+(m+mx)u(Ix+Iz)r=Nr+mzu。(3)IxIyIzxyzmxmymzxyzmvurL式中：，，分别为轴，轴，轴附加的惯性力矩；，，分别为方向，方向，方向的附加质量；为舰船质量；为纵荡速度；为横荡速度；为首摇角速度。其中附加质量为定值，测量一定航速下，首摇角速度、纵荡速度、横荡速度的变化情况，通过惯性力矩对航速进行调节。航向控制方面，分析舰船的偏转抑制性能，求导航向角偏差，公式为：L=tFcc+TFee。(4)cetFcFeT其中：为舵机的转角；为舵角变化引起的首向角变化；为舰船追随性参数；，分别为舵角，首向角受到的电机驱动；为舰船旋回性参数。通过网络节点射出功率，调整电机驱动，改变舵角和首向角，智能控制舰船航向。至此完成舰船航速航向的智能控制，实现系统软件设计，结合硬件设计和软件设计，完成嵌入式技术的舰船无线网络智能控制系统设计。

2仿真实验

将此次设计系统，与常规舰船无线网络智能控制系统，进行对比实验，比较2组系统的网络吞吐量。

2.1实验准备

测试环境使用NS2软件，扩展后得到AODV路由协议和OLSR路由协议。无线网络中包含25个节点，在所有节点上配置两块无线网卡，节点使用RandomWaypoint运动模型，分别在AODV信道和OLSR信道工作，2条信道互不干扰，仿真参数如表2所示。针对无线网络2种业务模式，进行仿真测试，随机产生信道分配方案，每组测试场景进行100次实验，实验结果取100次实验平均值。

2.2实验结果

R在互访业务模式和Internet业务模式下，测试2组系统的网络吞吐量，计算公式为：R=∑i∈25AiKi。(5)其中：Ki为节点i数据发送成功率；Ai为节点i数据发送速率。设置仿真时间为500s、数据包长度为500B，改变数据流发送速率为5～20包/s，仿真结果如表3所示。由表3可知，Internet业务和互访业务的仿真结果基本一致，互访模式下，设计系统平均吞吐量为97.22kb/s，常规系统平均吞吐量为78.51kb/s，设计系统吞吐量提高了18.71kb/s，Internet模式下，设计系统和常规系统的平均吞吐量，分别为102.41kb/s和80.60kb/s，设计系统吞吐量提高了21.81kb/s。设置数据流发送速率为10包/s，改变数据包长度为400～700B，仿真结果如表4所示。由表4可知，互访模式下，设计系统和常规系统的平均吞吐量，分别为130.40kb/s和102.05kb/s，设计系统吞吐量提高了28.35kb/s，Internet模式下，设计系统和常规系统的平均吞吐量，分别为145.60kb/s和114.29kb/s，设计系统吞吐量提高了31.31kb/s。综上所述，设计系统网络吞吐量，明显高于常规系统，拥有更好的网络传输性能，能够满足舰船不同类型业务的技术要求。

3结语

此次设计系统充分发挥了嵌入式的技术优势，传输业务数据时，提高了网络吞吐性能。但此次研究仍存在一定不足，在今后的研究中，会深入分析跨层协议特性，将安全因素考虑在内，保证传输性能的同时，提高舰船无线网络防御机制。

参考文献：

[1]张瑶瑶,胡斌,路天峰,等.调度自动化系统及数据网络的安全防护研究[J].工程技术研究,2019,4(9):240–241.

[2]邢朝旭.机电一体化系统中智能控制的应用探究[J].科技经济导刊,2020,28(34):80–81.

[3]胡彦军,张彩虹.舰船随机网络节点无线路由协议算法优化分析[J].舰船科学技术,2019,41(22):157–159.

[4]吴永华.智能技术在电力系统自动化中的应用[J].电子技术,2020,49(12):120–121.[4]

作者:张婷婷 单位:山东管理学院信息工程学院山东省高等学校中医药数据云服务重点实验室