散貨船艙識別的物聯(lián)網(wǎng)設計與路由算法改進

周海鵬+蔣進軍+添玉

摘 要：散貨裝船機的自動化水平對于港口作業(yè)效率具有重要影響，而船艙邊緣識別是裝船機自動作業(yè)的必要環(huán)節(jié)。文中運用物聯(lián)網(wǎng)ZigBee無線通信技術，結合OPNET仿真，應用于裝船機自動化作業(yè)中的船艙邊緣識別。并對現(xiàn)有路由算法在該應用背景上進行了改進，根據(jù)節(jié)點間傳輸數(shù)據(jù)特性的不同選擇不同的路由方法。實驗結果表明，改進的算法在船艙邊緣識別應用中比現(xiàn)存算法在性能上具有明顯的提高。

關鍵詞：船艙邊緣識別；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；OPNET；路由改進算法

中圖分類號：TP393 文獻標是識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）04-0037-04

0 引 言

隨著國內經(jīng)濟企穩(wěn)回升、歐美市場復蘇，以及上海國際航運中心建設的加快，我國港口貨運吞吐量增長顯著，但是國內絕大部分港口散貨裝卸仍采用人工操作的裝卸設備，自動化水平低。而且港口在業(yè)內被公認為擁有最復雜的環(huán)境[1]（高溫、大風、暴雨、大雪等各種嚴峻考驗），不適宜鋪設有線網(wǎng)絡。因此將無線通信技術應用到碼頭作業(yè)中，對于提高碼頭作業(yè)效率，促進港口智能化具有重要的意義。

目前國內外已經(jīng)將物聯(lián)網(wǎng)技術逐漸應用到港口運作管理中。Schmidt Rene綜合運用FM廣播技術、加速度計、IEEE 892.15.4無線通信協(xié)議和GPS來監(jiān)控集裝箱運輸?shù)陌踩玔2]。Laniel M針對RFID技術在具有金屬外殼包裝的情況下集裝箱監(jiān)控做了相關研究，實驗得出天線位置放置側面較好，而且采用433 MHz進行通信效果最好[3]。Rizzo Francesco等將RFID技術應用到集裝箱的安全管理中，給出了詳細的技術路線，并做了相關實驗，得出該系統(tǒng)可靠[4]。Choi Hyung Rim將RFID技術運用到集卡道口中，實現(xiàn)了集裝箱自動識別，提高了工作效率[5]。劉千波運用無線通信技術實現(xiàn)中控室與卸船機無線通信，為該公司創(chuàng)造了很好的效益[6]。林健偉運用CDMA技術將卸船機PLC與外部網(wǎng)絡相連，完善了卸船機的故障報警功能，并形成可視界面實現(xiàn)卸船機實時監(jiān)測[7]。

在路由算法方面，ZigBee采用的路由算法主要有3種：Cluster-tree、AODVjr、Cluster-tree&AODVjr[8-10]，其中Cluster-tree和AODVjr算法各有優(yōu)缺點，最后一種雖然結合了以上兩種路由的優(yōu)點但是路由開銷相對仍較大，許多學者針對已有路由存在的問題，提出了一些改進算法。郭狀輝提出一種降低路由開銷的ZigBee路由算法，根據(jù)目的節(jié)點和源節(jié)點的深度進一步限制傳輸范圍，同時根據(jù)樹的結構來限制路由的轉發(fā)方向，從而降低路由開銷[11]。劉偉針對機場場面監(jiān)控，提出了利用地理位置信息的ZigBee的路由協(xié)議，在原有AODVjr算法基礎上，采用路由期望域和尋找域的方法，使路由具有較高的目的性和方向性，有效地降低了路由開銷、減少了時延[12]。

本文利用CC2530芯片設計基于ZigBee技術的無線傳感器節(jié)點模塊，借助OPNET軟件對ZigBee網(wǎng)絡進行仿真來找到合適的網(wǎng)絡拓撲結構；再次，使用設計好的ZigBee節(jié)點進行實際組網(wǎng)測試，通過實驗論證該方案在船艙邊緣識別應用中的可行性；最后結合本文應用背景，改進了ZigBee路由算法并進行了仿真驗證。

1 船艙識別的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計

1.1 基于OPNET的ZigBee網(wǎng)絡仿真

在進行實際組網(wǎng)之前，可以通過仿真軟件模擬實際場景，考察ZigBee網(wǎng)絡各方面的性能，如數(shù)據(jù)收發(fā)延時，通信丟包率等等。

圖1所示為船艙識別模型，在船艙的四個角放置GPS+ZigBee模塊，GPS中的數(shù)據(jù)通過RS232通信協(xié)議與ZigBee模塊通信，ZigBee模塊再將GPS發(fā)送過來的位置信息無線發(fā)送給網(wǎng)關節(jié)點或中心節(jié)點，接收到所有GPS節(jié)點的位置信息后，就可以初步得到船艙邊緣的形狀和船艙的位置，在信息到達網(wǎng)關節(jié)點的途中，通過由ZigBee節(jié)點組成的無線傳感網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。

圖1 船艙識別模型

1.1.1 網(wǎng)絡拓撲結構

在建立網(wǎng)絡拓撲之前，設置船舶為9萬噸左右的散貨船，船長150 m，船寬12 m。仿真網(wǎng)絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡拓撲結構圖

1.1.2 設置及結果分析

通過配置業(yè)務和收集統(tǒng)計量，節(jié)點router_5～8將轉發(fā)數(shù)據(jù)到中心節(jié)點，其余節(jié)點（主要指路由節(jié)點）負責轉發(fā)來自節(jié)點5～8的數(shù)據(jù)包，設置仿真時間為10 min。在實際網(wǎng)絡應用過程中，數(shù)據(jù)接收的可靠性及丟包率，數(shù)據(jù)延時是兩個主要考慮的指標。除此以外，當節(jié)點失效以及節(jié)點移動時，網(wǎng)絡工作是否可靠，數(shù)據(jù)是否還能正常傳輸，也是需要考慮的。

（1）理想情況下的節(jié)點數(shù)據(jù)收發(fā)

在圖3所示的數(shù)據(jù)收發(fā)中，第一幅表示協(xié)調器應用層共接收到的數(shù)據(jù)，接下來4幅圖表示節(jié)點5～8應用層發(fā)送的數(shù)據(jù)，從圖3可以看出，發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)基本相等，符合組網(wǎng)要求，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性有保障。

（2）節(jié)點數(shù)據(jù)收發(fā)延時

另外，網(wǎng)絡延時也是需要考慮的，延時顯示如圖4所示。

縱坐標單位為秒，橫坐標單位為分，從圖4可以看出，其平均延時為0.023 s，除開始階段延時較大外，后續(xù)延時呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）節(jié)點失效以及節(jié)點移動時數(shù)據(jù)收發(fā)

在實際應用的過程中，節(jié)點可能會失效，在這里進行網(wǎng)絡仿真，模擬其中一個節(jié)點失效。在該仿真中在第5分鐘的時候將節(jié)點4移出通信范圍，相當于節(jié)點4失效。具體的仿真結果如圖5所示。

圖3 數(shù)據(jù)收發(fā)

圖4 數(shù)據(jù)收發(fā)延遲

圖5 節(jié)點失效仿真結果

在數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)倪^程中，實際中船會發(fā)生搖晃等運動。這里通過給節(jié)點設置運動軌跡來模擬實際中船的運動。設置節(jié)點運動的范圍為以節(jié)點為中心2 m范圍內。仿真結果如圖6所示。從圖6可以看出，節(jié)點4～8移動幅度不是很大的時候，數(shù)據(jù)收發(fā)數(shù)量相等，即節(jié)點移動基本不影響數(shù)據(jù)的傳輸?？芍捎肸igBee技術符合應用的要求。

圖6 節(jié)點移動仿真結果

1.2 軟硬件設計和選擇

硬件采用的是C2530，它滿足 IEEE802.15.4標準和 ZigBee2007/PRO技術標準，支持最新TI公司ZigBee2007/PRO網(wǎng)絡協(xié)議棧。GPS模塊選用新月-HC12A。

軟件編寫的內容主要包括串口回調函數(shù)的編寫和相關API函數(shù)的調用。GPS借助ZigBee節(jié)點將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給中心節(jié)點，路由節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，如自己不是目的節(jié)點，轉發(fā)該數(shù)據(jù)；中心節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，調用相應的任務事件處理函數(shù)對數(shù)據(jù)進行處理，另外使用ZigBee協(xié)議棧所提供的函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送以及組網(wǎng)等功能。

1.3 組網(wǎng)及通信測試

本文應用背景中，主要運用多對一通信。將船艙簡化為一個矩形，在四個角各安置一個GPS模塊，而每個模塊的定位信息最終需要發(fā)送給上位機以便收集和遠程檢測。終端發(fā)送時間間隔可自由設定。此外，原理上多個無線通訊的終端節(jié)點需同時向中心節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。這里所建立的拓撲結構如圖7所示。

圖7 ZigBee拓撲圖

網(wǎng)絡形成后，4個采集節(jié)點發(fā)送位置信息給中心節(jié)點，4個采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)都為1 501×86 B，4個采集節(jié)點都為靜止，通過8串口調試助手可以看到中心節(jié)點收到的數(shù)據(jù)為4×1501×86 B。4個采集節(jié)點需要實時將GPS中的位置信息發(fā)送到收集節(jié)點，為更好地測試網(wǎng)絡的性能，分別模擬節(jié)點移動和節(jié)點失效來查看網(wǎng)絡的丟包率。

ZigBee網(wǎng)絡在運行過程中，節(jié)點可能會因為電池沒電或其他因素導致節(jié)點失效，在這里主要考慮路由節(jié)點失效或某一條路由失效對數(shù)據(jù)的傳輸?shù)挠绊?。具體的實驗結果如表1所列。

表1 丟包率列表

測試條件 發(fā)包數(shù) 收包數(shù) 丟包率

發(fā)送間隔 測試環(huán)境 網(wǎng)絡拓撲

200 ms 理想情況 圖7 6 004 5 920 1.40%

200 ms 節(jié)點移動 圖7 6 004 5 874 2.17%

200 ms 節(jié)點失效 圖7 6 004 5 728 4.60%

1 s 理想情況 圖7 6 004 6 002 0.03%

1 s 節(jié)點移動 圖7 6 004 5 972 0.53%

1 s 節(jié)點失效 圖7 6 004 5 963 0.68%

通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著發(fā)送時間間隔越短，丟包率越嚴重，在滿足應用需求的前提下，適當增加發(fā)送時間間隔可以有效的降低丟包率。當采集節(jié)點小范圍移動時（以自己為中心2 m范圍內）丟包率并雖有增加，但不明顯，不影響系統(tǒng)的正常工作。當其中一個路由節(jié)點失效時，會增加丟包率。

另外，在圖7中，如果其中一個路由節(jié)點失效，采集節(jié)點會自動尋找替代路由，路由節(jié)點失效瞬時，匯聚節(jié)點將收不到數(shù)據(jù)，大概6 s左右，采集節(jié)點尋找到新的路由，匯聚節(jié)點又重新收到數(shù)據(jù)。

2 ZigBee路由算法改進

ZigBee網(wǎng)絡應用在裝船機作業(yè)中，不同時間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型不一樣。這里對于突發(fā)類的數(shù)據(jù)，采用抑制路

由發(fā)現(xiàn)方式，采用改進的樹路由，最大限度減少時間延遲。對于批量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，采用強制路由發(fā)現(xiàn)過程，在路由發(fā)現(xiàn)過程中，將位置信息和樹結構考慮進去，限制RREQ轉發(fā)范圍，降低時延。

針對AODVjr中空中數(shù)據(jù)包復雜，路由開銷大，提出一種改進算法，從兩個方面限制路由請求包的轉發(fā)方向，圖8所示是其改進AODVjr算法。該算法首先將每個節(jié)點位置信息考慮進去，當源節(jié)點需要尋找到目的節(jié)點的路由時，會附帶相應位置信息，中間節(jié)點收到路由請求包后，判斷自己是否在尋找域中，如果在，則轉發(fā)，如果不在，則放棄。其次，將網(wǎng)絡樹結構考慮進去，節(jié)點收到路由請求包后，判斷自己的后代節(jié)點和父節(jié)點是否適合轉發(fā)，并設置相應的標志位。

因為改進路由的主要目的是減少延遲，這里從兩個方面來降低延遲：第一，通過采用不同路由策略，來滿足實際應用需要；第二，從路由算法層面來進行改進，在樹路由中增加鄰居表來減少延時，在網(wǎng)絡路由中，綜合考慮樹的結構和地理位置信息來減少路由發(fā)現(xiàn)的時間。路由仿真利用Matlab來進行，網(wǎng)絡配置參數(shù)為Cm=3，Lm=6。

圖8 改進AODVjr算法

首先比較樹路算法和改進樹路由的平均跳數(shù)，跳數(shù)越短代表延時越短。其次，比較AODVjr算法、加入地理位置信息的路由算法和以及加入地理位置信息和樹結構三者之間的差別。主要比較三種參數(shù)分為：路由尋找時路由請求包的數(shù)量被轉發(fā)的次數(shù)，路由形成時產(chǎn)生的廣播包。比較的結果如圖9所示。

圖9 平均每次路由跳數(shù)

在圖9中，虛線表示改進前樹狀路由平均每次路由的平均跳數(shù)，實線表示引入鄰居表后的平均跳數(shù)，從圖9中可知，加入鄰居表后，路由跳數(shù)平均減少1次左右，可知在不過多的增加計算量的同時，有效的將樹路由平均跳數(shù)減少一跳。在圖10、圖11和圖12中，實線表示AODVjr路由，虛線表示加入位置信息的AODVjr改進路由，點劃線表示加入樹結構和位置信息的路由，從這3副圖可以看出，平均廣播包、轉發(fā)次數(shù)、路由發(fā)現(xiàn)平均延時依次減少。未改進的算法在平均廣播包、路由包轉發(fā)次數(shù)以及路由發(fā)現(xiàn)平均延時都最多，在路由中加入地理位置信息后，3項指標都大大優(yōu)化，在此基礎上繼續(xù)加入ZigBee網(wǎng)絡樹結構，3項指標得到進一步優(yōu)化。在其中，加入地理位置信息對路由算法的性能影響尤為明顯。

圖10 平均廣播包數(shù)目

圖11 平均每次路由轉發(fā)次數(shù)

圖12 平均路由延時

3 結 語

本文將ZigBee技術應用到裝船機自動作業(yè)中，結合GPS定位儀，采用ZigBee無線技術傳輸GPS中地理位置信息，來進行船艙邊緣初步識別，針對該應用背景，開發(fā)出一套船艙邊緣輔助識別系統(tǒng)，在理論創(chuàng)新方面，結合應用背景對現(xiàn)有路由算法進行改進并仿真。針對現(xiàn)有ZigBee路由算法在船艙邊緣識別中的不足，結合實際應用背景的特點對其進行改進，實驗結果表明改進的算法在船艙邊緣識別應用中比之前算法在性能上有明顯的提高。

參 考 文 獻

[1] Sasn Kenji， Mizui Shiji， Nagai Toshihiko. Basic research on operational troubles for ships and harbours due to abnormal water levels[C]. Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference， 2005：720-727.ite Paper， 2003

[2] Schmidt Rene. Combining FM broadcast， accelerometers， IEEE 892.15.4 wireless and GPS to secure maritime containers worldwide [C]. International Carnahan Conference on Security Technology， 2010， 411-417.

[3] Laniel M. RFID behavior study in enclosed trailer/container for real time temperature tracking [C]. American Society of Agricultural and Biological Engineers-Food Processing Automation Conference.2008， 37-48.

[4] Rizzo Francesco， Barboni Marcello， Fanggion lorenzo， Improved security for commercial container transports using an innovative active RFID system [J]. Journal of Network and Computer Applications.2011， 34（3）：846-852.

[5] Choi Hyung Rim， Park Byung Joo， Yoo Dong Ho. Design of RFID technology-based automated gate system in a container terminal [J]. WSEAS Transactions on Systems，2005 （9）：2155-2163.

[6]劉千波. 卸船機無線通訊改造[J].港口裝卸，2010（4）：32-33.

[7]林健偉. 珠海電廠卸船機遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)建[J].港口裝卸，2008（3）：36-37.

[8] Asano Y，Imai H，Toyoda M，et al.Finding neighbor communities inthe Web using an inter-site graph[J].IEICE Transactions on Information and Systems，2004（9）：2163-2170.

[9] Flake G W，Lawrence S，Giles C L，et al.Self organization of the web and identification of communities[J].IEEE Computer，2002，35（3）：66-71.

[10] Ian D.Chakeres， Luke Klein- Berndt. AODVjr， AODV simplified. Mobile Computing and Communications Review[J]， 2002， 6（3）：100- 101.

[11]郭壯輝，胡柯，汪鐳. 降低路由開銷的ZigBee路由算法研究[J]. 電腦知識與技術，2008（6）：1043-1048.

[12]劉偉，孫毅剛. 基于ZigBee的機場場面監(jiān)控系統(tǒng)路由方法研究[J].中國民航大學學報，2008，28（1）：176-178.

參 考 文 獻

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