周海鵬+蔣進(jìn)軍+添玉

摘 要：散貨裝船機(jī)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(jī)自動作業(yè)的必要環(huán)節(jié)。文中運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)ZigBee無線通信技術(shù)，結(jié)合OPNET仿真，應(yīng)用于裝船機(jī)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(yīng)用背景上進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間傳輸數(shù)據(jù)特性的不同選擇不同的路由方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的算法在船艙邊緣識別應(yīng)用中比現(xiàn)存算法在性能上具有明顯的提高。

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

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

0 引 言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)企穩(wěn)回升、歐美市場復(fù)蘇，以及上海國際航運(yùn)中心建設(shè)的加快，我國港口貨運(yùn)吞吐量增長顯著，但是國內(nèi)絕大部分港口散貨裝卸仍采用人工操作的裝卸設(shè)備，自動化水平低。而且港口在業(yè)內(nèi)被公認(rèn)為擁有最復(fù)雜的環(huán)境[1]（高溫、大風(fēng)、暴雨、大雪等各種嚴(yán)峻考驗(yàn)），不適宜鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)。因此將無線通信技術(shù)應(yīng)用到碼頭作業(yè)中，對于提高碼頭作業(yè)效率，促進(jìn)港口智能化具有重要的意義。

目前國內(nèi)外已經(jīng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸應(yīng)用到港口運(yùn)作管理中。Schmidt Rene綜合運(yùn)用FM廣播技術(shù)、加速度計(jì)、IEEE 892.15.4無線通信協(xié)議和GPS來監(jiān)控集裝箱運(yùn)輸?shù)陌踩玔2]。Laniel M針對RFID技術(shù)在具有金屬外殼包裝的情況下集裝箱監(jiān)控做了相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)得出天線位置放置側(cè)面較好，而且采用433 MHz進(jìn)行通信效果最好[3]。Rizzo Francesco等將RFID技術(shù)應(yīng)用到集裝箱的安全管理中，給出了詳細(xì)的技術(shù)路線，并做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，得出該系統(tǒng)可靠[4]。Choi Hyung Rim將RFID技術(shù)運(yùn)用到集卡道口中，實(shí)現(xiàn)了集裝箱自動識別，提高了工作效率[5]。劉千波運(yùn)用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)中控室與卸船機(jī)無線通信，為該公司創(chuàng)造了很好的效益[6]。林健偉運(yùn)用CDMA技術(shù)將卸船機(jī)PLC與外部網(wǎng)絡(luò)相連，完善了卸船機(jī)的故障報(bào)警功能，并形成可視界面實(shí)現(xiàn)卸船機(jī)實(shí)時(shí)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(diǎn)，最后一種雖然結(jié)合了以上兩種路由的優(yōu)點(diǎn)但是路由開銷相對仍較大，許多學(xué)者針對已有路由存在的問題，提出了一些改進(jìn)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(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)的深度進(jìn)一步限制傳輸范圍，同時(shí)根據(jù)樹的結(jié)構(gòu)來限制路由的轉(zhuǎn)發(fā)方向，從而降低路由開銷[11]。劉偉針對機(jī)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(chǔ)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(shí)延[12]。

本文利用CC2530芯片設(shè)計(jì)基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊，借助OPNET軟件對ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真來找到合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；再次，使用設(shè)計(jì)好的ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際組網(wǎng)測試，通過實(shí)驗(yàn)論證該方案在船艙邊緣識別應(yīng)用中的可行性；最后結(jié)合本文應(yīng)用背景，改進(jìn)了ZigBee路由算法并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 船艙識別的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基于OPNET的ZigBee網(wǎng)絡(luò)仿真

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

圖1所示為船艙識別模型，在船艙的四個(gè)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(guān)節(jié)點(diǎn)或中心節(jié)點(diǎn)，接收到所有GPS節(jié)點(diǎn)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(dá)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的途中，通過由ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 船艙識別模型

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，設(shè)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.1.2 設(shè)置及結(jié)果分析

通過配置業(yè)務(wù)和收集統(tǒng)計(jì)量，節(jié)點(diǎn)router_5～8將轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到中心節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)（主要指路由節(jié)點(diǎn)）負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)來自節(jié)點(diǎn)5～8的數(shù)據(jù)包，設(shè)置仿真時(shí)間為10 min。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過程中，數(shù)據(jù)接收的可靠性及丟包率，數(shù)據(jù)延時(shí)是兩個(gè)主要考慮的指標(biāo)。除此以外，當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效以及節(jié)點(diǎn)移動時(shí)，網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)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(diào)器應(yīng)用層共接收到的數(shù)據(jù)，接下來4幅圖表示節(jié)點(diǎn)5～8應(yīng)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(diǎn)數(shù)據(jù)收發(fā)延時(shí)

另外，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)也是需要考慮的，延時(shí)顯示如圖4所示。

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

（3）節(jié)點(diǎn)失效以及節(jié)點(diǎn)移動時(shí)數(shù)據(jù)收發(fā)

在實(shí)際應(yīng)用的過程中，節(jié)點(diǎn)可能會失效，在這里進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真，模擬其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效。在該仿真中在第5分鐘的時(shí)候?qū)⒐?jié)點(diǎn)4移出通信范圍，相當(dāng)于節(jié)點(diǎn)4失效。具體的仿真結(jié)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(diǎn)失效仿真結(jié)果

在數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)倪^程中，實(shí)際中船會發(fā)生搖晃等運(yùn)動。這里通過給節(jié)點(diǎn)設(shè)置運(yùn)動軌跡來模擬實(shí)際中船的運(yùn)動。設(shè)置節(jié)點(diǎn)運(yùn)動的范圍為以節(jié)點(diǎn)為中心2 m范圍內(nèi)。仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，節(jié)點(diǎn)4～8移動幅度不是很大的時(shí)候，數(shù)據(jù)收發(fā)數(shù)量相等，即節(jié)點(diǎn)移動基本不影響數(shù)據(jù)的傳輸。可知，采用ZigBee技術(shù)符合應(yīng)用的要求。

圖6 節(jié)點(diǎn)移動仿真結(jié)果

1.2 軟硬件設(shè)計(jì)和選擇

硬件采用的是C2530，它滿足 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和 ZigBee2007/PRO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，支持最新TI公司ZigBee2007/PRO網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。GPS模塊選用新月-HC12A。

軟件編寫的內(nèi)容主要包括串口回調(diào)函數(shù)的編寫和相關(guān)API函數(shù)的調(diào)用。GPS借助ZigBee節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，如自己不是目的節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)；中心節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)事件處理函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，另外使用ZigBee協(xié)議棧所提供的函數(shù)實(shí)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(yīng)用背景中，主要運(yùn)用多對一通信。將船艙簡化為一個(gè)矩形，在四個(gè)角各安置一個(gè)GPS模塊，而每個(gè)模塊的定位信息最終需要發(fā)送給上位機(jī)以便收集和遠(yuǎn)程檢測。終端發(fā)送時(shí)間間隔可自由設(shè)定。此外，原理上多個(gè)無線通訊的終端節(jié)點(diǎn)需同時(shí)向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。這里所建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 ZigBee拓?fù)鋱D

網(wǎng)絡(luò)形成后，4個(gè)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送位置信息給中心節(jié)點(diǎn)，4個(gè)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)都為1 501×86 B，4個(gè)采集節(jié)點(diǎn)都為靜止，通過8串口調(diào)試助手可以看到中心節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)為4×1501×86 B。4個(gè)采集節(jié)點(diǎn)需要實(shí)時(shí)將GPS中的位置信息發(fā)送到收集節(jié)點(diǎn)，為更好地測試網(wǎng)絡(luò)的性能，分別模擬節(jié)點(diǎn)移動和節(jié)點(diǎn)失效來查看網(wǎng)絡(luò)的丟包率。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過程中，節(jié)點(diǎn)可能會因?yàn)殡姵貨]電或其他因素導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效，在這里主要考慮路由節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(luò)拓?fù)?/p>

200 ms 理想情況 圖7 6 004 5 920 1.40%

200 ms 節(jié)點(diǎn)移動 圖7 6 004 5 874 2.17%

200 ms 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)移動 圖7 6 004 5 972 0.53%

1 s 節(jié)點(diǎn)失效 圖7 6 004 5 963 0.68%

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著發(fā)送時(shí)間間隔越短，丟包率越嚴(yán)重，在滿足應(yīng)用需求的前提下，適當(dāng)增加發(fā)送時(shí)間間隔可以有效的降低丟包率。當(dāng)采集節(jié)點(diǎn)小范圍移動時(shí)（以自己為中心2 m范圍內(nèi)）丟包率并雖有增加，但不明顯，不影響系統(tǒng)的正常工作。當(dāng)其中一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，會增加丟包率。

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

2 ZigBee路由算法改進(jìn)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在裝船機(jī)作業(yè)中，不同時(shí)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(jìn)的樹路由，最大限度減少時(shí)間延遲。對于批量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，采用強(qiáng)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(jié)構(gòu)考慮進(jìn)去，限制RREQ轉(zhuǎn)發(fā)范圍，降低時(shí)延。

針對AODVjr中空中數(shù)據(jù)包復(fù)雜，路由開銷大，提出一種改進(jìn)算法，從兩個(gè)方面限制路由請求包的轉(zhuǎn)發(fā)方向，圖8所示是其改進(jìn)AODVjr算法。該算法首先將每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置信息考慮進(jìn)去，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要尋找到目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，會附帶相應(yīng)位置信息，中間節(jié)點(diǎn)收到路由請求包后，判斷自己是否在尋找域中，如果在，則轉(zhuǎn)發(fā)，如果不在，則放棄。其次，將網(wǎng)絡(luò)樹結(jié)構(gòu)考慮進(jìn)去，節(jié)點(diǎn)收到路由請求包后，判斷自己的后代節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)是否適合轉(zhuǎn)發(fā)，并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位。

因?yàn)楦倪M(jìn)路由的主要目的是減少延遲，這里從兩個(gè)方面來降低延遲：第一，通過采用不同路由策略，來滿足實(shí)際應(yīng)用需要；第二，從路由算法層面來進(jìn)行改進(jìn)，在樹路由中增加鄰居表來減少延時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)路由中，綜合考慮樹的結(jié)構(gòu)和地理位置信息來減少路由發(fā)現(xiàn)的時(shí)間。路由仿真利用Matlab來進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)為Cm=3，Lm=6。

圖8 改進(jìn)AODVjr算法

首先比較樹路算法和改進(jìn)樹路由的平均跳數(shù)，跳數(shù)越短代表延時(shí)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(jié)構(gòu)三者之間的差別。主要比較三種參數(shù)分為：路由尋找時(shí)路由請求包的數(shù)量被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，路由形成時(shí)產(chǎn)生的廣播包。比較的結(jié)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(jìn)前樹狀路由平均每次路由的平均跳數(shù)，實(shí)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(jì)算量的同時(shí)，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(shí)線表示AODVjr路由，虛線表示加入位置信息的AODVjr改進(jìn)路由，點(diǎn)劃線表示加入樹結(jié)構(gòu)和位置信息的路由，從這3副圖可以看出，平均廣播包、轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)、路由發(fā)現(xiàn)平均延時(shí)依次減少。未改進(jìn)的算法在平均廣播包、路由包轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)以及路由發(fā)現(xiàn)平均延時(shí)都最多，在路由中加入地理位置信息后，3項(xiàng)指標(biāo)都大大優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹結(jié)構(gòu)，3項(xiàng)指標(biāo)得到進(jìn)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(zhuǎn)發(fā)次數(shù)

圖12 平均路由延時(shí)

3 結(jié) 語

本文將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到裝船機(jī)自動作業(yè)中，結(jié)合GPS定位儀，采用ZigBee無線技術(shù)傳輸GPS中地理位置信息，來進(jìn)行船艙邊緣初步識別，針對該應(yīng)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(jié)合應(yīng)用背景對現(xiàn)有路由算法進(jìn)行改進(jìn)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(jié)合實(shí)際應(yīng)用背景的特點(diǎn)對其進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)的算法在船艙邊緣識別應(yīng)用中比之前算法在性能上有明顯的提高。

參 考 文 獻(xiàn)

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參 考 文 獻(xiàn)

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參 考 文 獻(xiàn)

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[7]林健偉. 珠海電廠卸船機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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.

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