周海鵬+蔣進(jìn)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(shù)，結(jié)合OPNET仿真，應(yīng)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(yīng)用背景上進(jìn)行了改進(jìn)，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(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)濟企穩(wěn)回升、歐美市場復(fù)蘇，以及上海國際航運中心建設(shè)的加快，我國港口貨運吞吐量增長顯著，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），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)用到港口運作管理中。Schmidt Rene綜合運用FM廣播技術(shù)、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(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，實驗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)實驗，得出該系統(tǒng)可靠[4]。Choi Hyung Rim將RFID技術(shù)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(shù)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(shù)將卸船機PLC與外部網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(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)點和源節(jié)點的深度進(jìn)一步限制傳輸范圍，同時根據(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、減少了時延[12]。

本文利用CC2530芯片設(shè)計基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器節(jié)點模塊，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)計好的ZigBee節(jié)點進(jìn)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(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)行了仿真驗證。

1 船艙識別的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基于OPNET的ZigBee網(wǎng)絡(luò)仿真

在進(jìn)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(luò)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(guān)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(dá)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的途中，通過由ZigBee節(jié)點組成的無線傳感網(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)計量，節(jié)點router_5～8將轉(zhuǎn)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(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)來自節(jié)點5～8的數(shù)據(jù)包，設(shè)置仿真時間為10 min。在實際網(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)延時是兩個主要考慮的指標(biāo)。除此以外，當(dāng)節(jié)點失效以及節(jié)點移動時，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)點數(shù)據(jù)收發(fā)延時

另外，網(wǎng)絡(luò)延時也是需要考慮的，延時顯示如圖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(yīng)用的過程中，節(jié)點可能會失效，在這里進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)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?qū)⒐?jié)點4移出通信范圍，相當(dāng)于節(jié)點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)點失效仿真結(jié)果

在數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)置運動軌跡來模擬實際中船的運動。設(shè)置節(jié)點運動的范圍為以節(jié)點為中心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。可知，采用ZigBee技術(shù)符合應(yīng)用的要求。

圖6 節(jié)點移動仿真結(jié)果

1.2 軟硬件設(shè)計和選擇

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(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)；中心節(jié)點收到數(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(yuǎn)程檢測。終端發(fā)送時間間隔可自由設(shè)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?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(diào)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(luò)的性能，分別模擬節(jié)點移動和節(jié)點失效來查看網(wǎng)絡(luò)的丟包率。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)在運行過程中，節(jié)點可能會因為電池沒電或其他因素導(dǎo)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(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(yán)重，在滿足應(yīng)用需求的前提下，適當(dāng)增加發(fā)送時間間隔可以有效的降低丟包率。當(dāng)采集節(jié)點小范圍移動時（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(jìn)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(jìn)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(jié)構(gòu)考慮進(jìn)去，限制RREQ轉(zhuǎn)發(fā)范圍，降低時延。

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。該算法首先將每個節(jié)點位置信息考慮進(jìn)去，當(dāng)源節(jié)點需要尋找到目的節(jié)點的路由時，會附帶相應(yīng)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(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(zhuǎn)發(fā)，并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位。

因為改進(jìn)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(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，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：路由尋找時路由請求包的數(shù)量被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，路由形成時產(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(jìn)路由，點劃線表示加入樹結(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)平均延時都最多，在路由中加入地理位置信息后，3項指標(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

3 結(jié) 語

本文將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到裝船機自動作業(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)合實際應(yīng)用背景的特點對其進(jìn)行改進(jìn)，實驗結(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)

[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(yuǎn)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(shù)，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(xué)學(xué)報，2008，28（1）：176-178.

參 考 文 獻(xiàn)

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參 考 文 獻(xiàn)

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[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.

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