艦船通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換協(xié)議設計探析

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摘要:艦船通信系統(tǒng)是保證艦船設備運行各項數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)挠布A(chǔ)，在通信系統(tǒng)設計中，傳統(tǒng)基于CAN總線協(xié)議、TCP/IP協(xié)議的通信系統(tǒng)難以保證實時通信速率的穩(wěn)定性，可能存在數(shù)據(jù)報文丟失、通信質(zhì)量不高的問題。在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的背景下，艦船通信系統(tǒng)應積極探尋和應用更為穩(wěn)定成熟的數(shù)據(jù)交換協(xié)議。本文在分析傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交換協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出基于Zigbee數(shù)據(jù)交換協(xié)議設計的艦船通信系統(tǒng)，經(jīng)過仿真實驗驗證，該通信系統(tǒng)能夠保證較為穩(wěn)定的實時通信速率。

關(guān)鍵詞：艦船；通信系統(tǒng)；數(shù)據(jù)交換協(xié)議

0引言

現(xiàn)階段，網(wǎng)絡信息通信技術(shù)呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢。在艦船通信系統(tǒng)中，應借助網(wǎng)絡通信技術(shù)的應用優(yōu)勢，采用先進的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，進一步提高通信系統(tǒng)的性能，保證各類型數(shù)據(jù)在通信系統(tǒng)中連續(xù)不間斷穩(wěn)定傳輸，提高通信系統(tǒng)的技術(shù)裝備水平。

1數(shù)據(jù)交換協(xié)議

數(shù)據(jù)交換協(xié)議是通信系統(tǒng)中各類軟硬件設計的基礎(chǔ)，常用的數(shù)據(jù)交換協(xié)議包括CAN總線協(xié)議、NMEA2000協(xié)議、TCP/IP協(xié)議[1–2]。1.1CAN總線協(xié)議CAN總線以國際標準為執(zhí)行準則，是現(xiàn)場總線中使用最為廣泛和成熟的數(shù)據(jù)交換協(xié)議。在CAN總線上，擁有多個主通信方式，各個節(jié)點的仲裁段對總線優(yōu)先級起著決定性作用，可以從結(jié)構(gòu)上保證總線通信的可靠性。CAN總線能夠避免某個節(jié)點總線出現(xiàn)錯誤信號，在出現(xiàn)錯誤后可以將其移除，通信速率為1Mbps，具備較強的抗干擾性。在艦船通信系統(tǒng)中，采用CAN總線協(xié)議需要將控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)都連接到總線上，保證設備之間的數(shù)據(jù)有效傳輸，實現(xiàn)設備的協(xié)同運作[3–4]。

1.2NMEA2000協(xié)議分層

NMEA2000協(xié)議分層以CAN總線為基礎(chǔ)，依照OSI模型建立起設備數(shù)據(jù)交換協(xié)議，在艦船通信系統(tǒng)中應用NMEA2000協(xié)議，能夠滿足船載導航、雷達、聲吶等多類型的數(shù)據(jù)交換[5–6]。基于該協(xié)議設計的通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)發(fā)送時，可以分為單幀或多幀類型，PDU數(shù)據(jù)段包括3～8bit，主要用于發(fā)送真正內(nèi)容；在數(shù)據(jù)接收時，PGN接收表不僅要接收和響應地址管理信息，還要接收硬件接口發(fā)送的單幀數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲于緩沖區(qū)，完成完整報文，對數(shù)據(jù)進行解析，并對解析數(shù)據(jù)加上標識，確定數(shù)據(jù)信息的來源出處。

1.3TCP/IP協(xié)議

TCP/IP是互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，具備7層模型，對于艦船通信系統(tǒng)而言，常用模型層級包括傳輸層的TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。TCP協(xié)議屬于連接通信協(xié)議，能夠建立起各個設備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，提供高質(zhì)量的通信服務，確保數(shù)據(jù)發(fā)送到接收方；UDP協(xié)議屬于無連接協(xié)議，具備報文封裝簡單、傳輸速度快的特點，在低丟包率條件下，報文出錯也不會對通信質(zhì)量產(chǎn)生太大的影響。

2艦船通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換協(xié)議設計

2.1艦船通信系統(tǒng)

艦船通信系統(tǒng)要滿足數(shù)據(jù)實時通信需求，基于網(wǎng)絡無線信號形成數(shù)據(jù)傳輸鏈路，借助通信衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ劈c，利用數(shù)據(jù)解碼器輸出數(shù)據(jù)。艦船通信系統(tǒng)應具備數(shù)據(jù)載入、轉(zhuǎn)換、編碼、發(fā)送4項重要功能，基于此點要求，通信系統(tǒng)設計5層架構(gòu)，包括網(wǎng)絡數(shù)據(jù)載入、電路控制、數(shù)據(jù)處理、信號編碼和信號輸出架構(gòu)。在通信系統(tǒng)設計中，各個框架運行流程如圖1所示。其中，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)載入框架用于網(wǎng)絡協(xié)議接口與網(wǎng)絡功能模塊的對接，可以將網(wǎng)絡協(xié)議內(nèi)容輸入到功能模塊中，提供寫入支持；數(shù)據(jù)電路控制框架用于自定義電源控制信號，根據(jù)電路接入情況處理信號控制情況；數(shù)據(jù)處理控制框架以CPU控制中心為平臺，全面控制各層的信號通信協(xié)議；數(shù)據(jù)信號編碼框架用于對接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口；數(shù)據(jù)信號輸出框架為數(shù)據(jù)信號輸出與中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信提供服務。艦船通信系統(tǒng)的五大硬件集成框架需要配置關(guān)鍵性的硬件設備，包括無線網(wǎng)絡接收器、電壓控制、存儲控制器、數(shù)據(jù)緩存器、中央處理器、電路邏輯控制器、信號諧波穩(wěn)定器、信號輸出寄存器、數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換器、電流微控器等。通信系統(tǒng)的硬件模組能耗分布如圖2所示。

2.2數(shù)據(jù)交換協(xié)議設計框架

常用的數(shù)據(jù)交換協(xié)議主要以有線網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)為依托，雖然能夠保證艦船通信的基本需求，但是難以滿足通信系統(tǒng)在復雜條件下的高質(zhì)量、高速率通信要求。所以，本文基于物聯(lián)網(wǎng)設計艦船通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，即Zigbee協(xié)議，協(xié)議包括應用層、網(wǎng)絡層、MAC層、PHY層。主要采用的硬件設備為路由器、終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器，Zigbee協(xié)議采用網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，遵循分布式分配機制，利用Cluster-Tree算法，具體的運作流程為：接收數(shù)據(jù)包→判斷數(shù)據(jù)包→發(fā)送數(shù)據(jù)包→判斷節(jié)點路由→沿樹形選擇路由→判斷目的地路由→達到下一個路由。Zigbee協(xié)議的應用標準主要執(zhí)行HA標準，其開發(fā)流程更加便捷，只需要建立起函數(shù)關(guān)系模型就能夠?qū)崿F(xiàn)設備數(shù)據(jù)交換功能。Zigbee協(xié)議在接入網(wǎng)關(guān)過程中，可以借助Wifi通信以有線方式接入接口，在成功接入后，Zigbee協(xié)議的工作流程包括：初始化串口、網(wǎng)絡接口和時間管理中心；在事件列隊中加入串口小數(shù)；監(jiān)聽事件列隊，讀取網(wǎng)絡數(shù)據(jù)；判斷是否建立連接；建立連接后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。Zigbee協(xié)議的感知層以傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為主，實現(xiàn)在通信系統(tǒng)中的傳輸，可以從一個終端節(jié)點向另一個終端節(jié)點傳輸。為保證(c1,u1,x1)···(c4,u4,x4)(c1,u1,x1)[(c1−c)2+(u1−u)2+(x1−x)2+]v(fy−fy1)數(shù)據(jù)實時傳輸速率，Zigbee協(xié)議設計要根據(jù)硬件接口參數(shù)定義數(shù)據(jù)，從遠端接收終端數(shù)據(jù)，終端的時間點設置為y，在已知通信信號為4個的情況下，假設接收信號坐標參量為，并用fy代表無線信號的數(shù)據(jù)實時傳輸速率，對接收信號坐標參量進行補償，定義補償值。以坐標參量為例，其補償定值的計算公式為：。

2.3仿真實驗測試

對基于Zigbee協(xié)議設計的艦船通信系統(tǒng)進行仿真實驗，將其與基于常用數(shù)據(jù)交換協(xié)議設計的傳統(tǒng)艦船通信系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性數(shù)據(jù)進行對比，驗證新型通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。仿真實驗條件為調(diào)用5個衛(wèi)星信號，模擬測試傳輸數(shù)據(jù)，在測試的2個系統(tǒng)中同時接收數(shù)據(jù)，連續(xù)測試60min，共4次測試的結(jié)果分布如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)通信傳輸速率基本一致?；赯igbee協(xié)議設計的艦船通信系統(tǒng)實時通信速率誤差分布圖如圖4所示，從圖中可以看出，基于Zigbee協(xié)議設計的艦船通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時連續(xù)性較好，通信速率誤差分布符合正態(tài)分布。

3結(jié)語

艦船通信系統(tǒng)要認清物聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展趨勢，應用Zigbee協(xié)議對通信系統(tǒng)進行設計，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)、船岸數(shù)據(jù)、通信數(shù)據(jù)的實時傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和時效性。在艦船通信系統(tǒng)中，基于Zigbee協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸支持高速網(wǎng)絡配置，能夠適應5G通信網(wǎng)絡應用需求，有助于提升艦船通信系統(tǒng)的先進水平。

作者:陳天文 單位:江海職業(yè)技術(shù)學院