艦船通信系統中數據交換協議設計探析

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摘要:艦船通信系統是保證艦船設備運行各項數據實時傳輸的硬件基礎，在通信系統設計中，傳統基于CAN總線協議、TCP/IP協議的通信系統難以保證實時通信速率的穩定性，可能存在數據報文丟失、通信質量不高的問題。在物聯網快速發展的背景下，艦船通信系統應積極探尋和應用更為穩定成熟的數據交換協議。本文在分析傳統數據交換協議的基礎上，提出基于Zigbee數據交換協議設計的艦船通信系統，經過仿真實驗驗證，該通信系統能夠保證較為穩定的實時通信速率。

關鍵詞：艦船；通信系統；數據交換協議

0引言

現階段，網絡信息通信技術呈現出快速發展態勢。在艦船通信系統中，應借助網絡通信技術的應用優勢，采用先進的數據交換協議，進一步提高通信系統的性能，保證各類型數據在通信系統中連續不間斷穩定傳輸，提高通信系統的技術裝備水平。

1數據交換協議

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

1.2NMEA2000協議分層

NMEA2000協議分層以CAN總線為基礎，依照OSI模型建立起設備數據交換協議，在艦船通信系統中應用NMEA2000協議，能夠滿足船載導航、雷達、聲吶等多類型的數據交換[5–6]。基于該協議設計的通信系統在數據發送時，可以分為單幀或多幀類型，PDU數據段包括3～8bit，主要用于發送真正內容；在數據接收時，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送的單幀數據，將數據存儲于緩沖區，完成完整報文，對數據進行解析，并對解析數據加上標識，確定數據信息的來源出處。

1.3TCP/IP協議

TCP/IP是互聯網通信協議，具備7層模型，對于艦船通信系統而言，常用模型層級包括傳輸層的TCP協議和UDP協議。TCP協議屬于連接通信協議，能夠建立起各個設備之間的數據傳輸通道，提供高質量的通信服務，確保數據發送到接收方；UDP協議屬于無連接協議，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量產生太大的影響。

2艦船通信系統中的數據交換協議設計

2.1艦船通信系統

艦船通信系統要滿足數據實時通信需求，基于網絡無線信號形成數據傳輸鏈路，借助通信衛星將數據傳輸到通信點，利用數據解碼器輸出數據。艦船通信系統應具備數據載入、轉換、編碼、發送4項重要功能，基于此點要求，通信系統設計5層架構，包括網絡數據載入、電路控制、數據處理、信號編碼和信號輸出架構。在通信系統設計中，各個框架運行流程如圖1所示。其中，網絡數據載入框架用于網絡協議接口與網絡功能模塊的對接，可以將網絡協議內容輸入到功能模塊中，提供寫入支持；數據電路控制框架用于自定義電源控制信號，根據電路接入情況處理信號控制情況；數據處理控制框架以CPU控制中心為平臺，全面控制各層的信號通信協議；數據信號編碼框架用于對接數據轉換接口；數據信號輸出框架為數據信號輸出與中轉網絡數據通信提供服務。艦船通信系統的五大硬件集成框架需要配置關鍵性的硬件設備，包括無線網絡接收器、電壓控制、存儲控制器、數據緩存器、中央處理器、電路邏輯控制器、信號諧波穩定器、信號輸出寄存器、數據信號轉換器、電流微控器等。通信系統的硬件模組能耗分布如圖2所示。

2.2數據交換協議設計框架

常用的數據交換協議主要以有線網絡、互聯網為依托，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在復雜條件下的高質量、高速率通信要求。所以，本文基于物聯網設計艦船通信系統中的數據交換協議，即Zigbee協議，協議包括應用層、網絡層、MAC層、PHY層。主要采用的硬件設備為路由器、終端節點和協調器，Zigbee協議采用網絡拓撲結構，遵循分布式分配機制，利用Cluster-Tree算法，具體的運作流程為：接收數據包→判斷數據包→發送數據包→判斷節點路由→沿樹形選擇路由→判斷目的地路由→達到下一個路由。Zigbee協議的應用標準主要執行HA標準，其開發流程更加便捷，只需要建立起函數關系模型就能夠實現設備數據交換功能。Zigbee協議在接入網關過程中，可以借助Wifi通信以有線方式接入接口，在成功接入后，Zigbee協議的工作流程包括：初始化串口、網絡接口和時間管理中心；在事件列隊中加入串口小數；監聽事件列隊，讀取網絡數據；判斷是否建立連接；建立連接后發送給網關。Zigbee協議的感知層以傳感器傳輸的數據為主，實現在通信系統中的傳輸，可以從一個終端節點向另一個終端節點傳輸。為保證(c1,u1,x1)···(c4,u4,x4)(c1,u1,x1)[(c1−c)2+(u1−u)2+(x1−x)2+]v(fy−fy1)數據實時傳輸速率，Zigbee協議設計要根據硬件接口參數定義數據，從遠端接收終端數據，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代表無線信號的數據實時傳輸速率，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協議設計的艦船通信系統進行仿真實驗，將其與基于常用數據交換協議設計的傳統艦船通信系統的通信穩定性數據進行對比，驗證新型通信系統的穩定性和可靠性。仿真實驗條件為調用5個衛星信號，模擬測試傳輸數據，在測試的2個系統中同時接收數據，連續測試60min，共4次測試的結果分布如圖3所示，可以發現通信傳輸速率基本一致。基于Zigbee協議設計的艦船通信系統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協議設計的艦船通信系統的數據實時連續性較好，通信速率誤差分布符合正態分布。

3結語

艦船通信系統要認清物聯網時代的發展趨勢，應用Zigbee協議對通信系統進行設計，實現設備數據、船岸數據、通信數據的實時傳輸，保證數據傳輸的穩定性和時效性。在艦船通信系統中，基于Zigbee協議的數據傳輸支持高速網絡配置，能夠適應5G通信網絡應用需求，有助于提升艦船通信系統的先進水平。

作者:陳天文 單位:江海職業技術學院