嵌入式技術艦船無線網絡智能控制探析

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摘要:常規系統搭建無線控制網絡時，節點發射功率未達到最佳，導致數據傳輸的網絡吞吐量較低。針對這一問題，設計嵌入式技術的艦船無線網絡智能控制系統。硬件方面，嵌入傳感器至微控制器，通過外圍IO控制、無線通信等，組成系統框架；軟件方面，抽象處理網絡節點使用信道，通過節點相互博弈，確定最佳發射功率，輸出慣性力矩和電機驅動的射出功率，智能控制艦船航速航向。仿真無線網絡拓撲結構，設置對比實驗，結果表明，在互訪業務和Internet業務2種模式下，設計系統的網絡吞吐量，明顯高于常規系統，擁有更好的網絡傳輸性能。

關鍵詞：無線網絡；智能控制；嵌入式；系統設計

0引言

在復雜的海上環境，海上作業對艦船航行提出更高要求，因此，研究無線網絡智能控制系統，對艦船進行遠程遙控，實現自動靠泊、自主航行等功能，具有重要意義。文獻[1]利用主配的單獨饋線，連接艦船設備和配電箱，引入微分控制概念，比例控制自動舵，實現艦船智能控制，但該方法振蕩行為的控制增益較高，網絡吞吐量較低[1]。文獻[2]選取模糊控制器，查詢艦船性能指數，將指數存儲到矩陣格式，自動合成性能特征，形成航向運行的控制規則，在無線網絡環境下，利用神經網絡的學習功能，模擬不同工況條件下的自動舵，PID控制艦船航向，但該方法比例系數的補償效果未達到預期，網絡吞吐量同樣較低[2]。針對這一問題，結合以上理論，基于嵌入式技術，設計艦船無線網絡智能控制系統，操縱艦船航跡。

1嵌入式技術的艦船無線網絡智能控制系統設計

1.1嵌入式控制系統硬件設計

在微控制器中嵌入傳感設備，構建系統硬件結構。選取LPC2294型號微控制器，將TMS26155芯片作為控制系統的主控芯片，該芯片采用哈佛結構，劃分存儲器空間，得到程序存儲空間和數據存儲空間，主控設備為電推機、電機等，對外圍設備進行28位浮點型運算。通過模擬數字信號轉換、外圍IO控制、無線通信、H橋驅動、電源，組成系統總體框架。模擬數字信號轉換模塊，選取ADS6291模數轉換器，通過0～10V電壓控制電機驅動器，驅動機類型選擇直流電機，采用標準二進制編碼，在基準輸入和電源引腳中，加入去耦電容，單極性輸出電壓范圍。轉換器和主控芯片通過SPI總線通信，由4根線組成接口引腳，分別為主器件的數據輸出、輸入，從器件的數據輸出、輸入，主器件的SPI總線時鐘信號輸出，從器件的使能信號輸出[3]。無線通信模塊采用RS628接口，連接岸基手操盒和工控機，通過高低電平表示不同的邏輯狀態，集成元件的通信接口，使用GND，RXD，TXD3種類型引腳，參數如表1所示。利用串口形式，實現手操盒和工控機的無線通信，并在智能控制單元中，加入無線數傳模塊，當艦船工況機故障時，通過數傳模塊切換無線通信協議，直接控制嵌入式航速航向控制板。至此完成嵌入式控制系統硬件設計。

1.2系統軟件設計

1.2.1搭建無線控制網絡G搭建無線控制網絡，采集、反饋艦船運動狀態。通過MAC協議，動態調整無線網絡的節點距離、信道狀態，將網絡拓撲結構的連通性考慮在內，根據節點剩余能量，定義無線網絡信干燥比，計算公式為：G=adifi(Smax/Si)U(Smax/Si)+h2。(1)adiifiiUSiiSmaxi其中：為信道帶寬的擴頻增益；為節點到網關節點的鏈路增益；為節點的接收信干噪；為數據傳輸期間，干擾半徑內節點產生的干擾總和；為節點剩余能量；為節點最大能量。Pi對節點使用信道進行抽象處理，通過節點間的相互博弈，確定網絡節點的最佳發射功率，功率支付函數表達式為：Pi=blog2(1+Di)−W(Di)qi。(2)DiibW(Di)qii其中：為節點策略空間；為信道上具有同頻干擾的節點數量；為策略空間的最大收益；為節點效用因子[4]。GPi通過信干燥比，使節點快速收斂到納什均衡點，然后給定功率至每個節點，令網絡節點發射功率，構成具有絕對控制中心的無線傳感網絡。1.2.2智能控制艦船航速航向建立艦船運動坐標系，由無線網絡輸出功率，智能控制艦船航速航向。僅考慮航速控制，把艦船姿態簡化為三自由度的運動，構建艦船動力學方程，表達式為：(m+my)v=Iyv+(m+mx)u(Ix+Iz)r=Nr+mzu。(3)IxIyIzxyzmxmymzxyzmvurL式中：，，分別為軸，軸，軸附加的慣性力矩；，，分別為方向，方向，方向的附加質量；為艦船質量；為縱蕩速度；為橫蕩速度；為首搖角速度。其中附加質量為定值，測量一定航速下，首搖角速度、縱蕩速度、橫蕩速度的變化情況，通過慣性力矩對航速進行調節。航向控制方面，分析艦船的偏轉抑制性能，求導航向角偏差，公式為：L=tFcc+TFee。(4)cetFcFeT其中：為舵機的轉角；為舵角變化引起的首向角變化；為艦船追隨性參數；，分別為舵角，首向角受到的電機驅動；為艦船旋回性參數。通過網絡節點射出功率，調整電機驅動，改變舵角和首向角，智能控制艦船航向。至此完成艦船航速航向的智能控制，實現系統軟件設計，結合硬件設計和軟件設計，完成嵌入式技術的艦船無線網絡智能控制系統設計。

2仿真實驗

將此次設計系統，與常規艦船無線網絡智能控制系統，進行對比實驗，比較2組系統的網絡吞吐量。

2.1實驗準備

測試環境使用NS2軟件，擴展后得到AODV路由協議和OLSR路由協議。無線網絡中包含25個節點，在所有節點上配置兩塊無線網卡，節點使用RandomWaypoint運動模型，分別在AODV信道和OLSR信道工作，2條信道互不干擾，仿真參數如表2所示。針對無線網絡2種業務模式，進行仿真測試，隨機產生信道分配方案，每組測試場景進行100次實驗，實驗結果取100次實驗平均值。

2.2實驗結果

R在互訪業務模式和Internet業務模式下，測試2組系統的網絡吞吐量，計算公式為：R=∑i∈25AiKi。(5)其中：Ki為節點i數據發送成功率；Ai為節點i數據發送速率。設置仿真時間為500s、數據包長度為500B，改變數據流發送速率為5～20包/s，仿真結果如表3所示。由表3可知，Internet業務和互訪業務的仿真結果基本一致，互訪模式下，設計系統平均吞吐量為97.22kb/s，常規系統平均吞吐量為78.51kb/s，設計系統吞吐量提高了18.71kb/s，Internet模式下，設計系統和常規系統的平均吞吐量，分別為102.41kb/s和80.60kb/s，設計系統吞吐量提高了21.81kb/s。設置數據流發送速率為10包/s，改變數據包長度為400～700B，仿真結果如表4所示。由表4可知，互訪模式下，設計系統和常規系統的平均吞吐量，分別為130.40kb/s和102.05kb/s，設計系統吞吐量提高了28.35kb/s，Internet模式下，設計系統和常規系統的平均吞吐量，分別為145.60kb/s和114.29kb/s，設計系統吞吐量提高了31.31kb/s。綜上所述，設計系統網絡吞吐量，明顯高于常規系統，擁有更好的網絡傳輸性能，能夠滿足艦船不同類型業務的技術要求。

3結語

此次設計系統充分發揮了嵌入式的技術優勢，傳輸業務數據時，提高了網絡吞吐性能。但此次研究仍存在一定不足，在今后的研究中，會深入分析跨層協議特性，將安全因素考慮在內，保證傳輸性能的同時，提高艦船無線網絡防御機制。

參考文獻：

[1]張瑤瑤,胡斌,路天峰,等.調度自動化系統及數據網絡的安全防護研究[J].工程技術研究,2019,4(9):240–241.

[2]邢朝旭.機電一體化系統中智能控制的應用探究[J].科技經濟導刊,2020,28(34):80–81.

[3]胡彥軍,張彩虹.艦船隨機網絡節點無線路由協議算法優化分析[J].艦船科學技術,2019,41(22):157–159.

[4]吳永華.智能技術在電力系統自動化中的應用[J].電子技術,2020,49(12):120–121.[4]

作者:張婷婷 單位:山東管理學院信息工程學院山東省高等學校中醫藥數據云服務重點實驗室