船舶移动数据采集与系统设计分析

摘要:基于数据采集的各类船舶电子系统应用场景越来越广泛，如海底勘探系统、海洋气象环境监测系统，传统数据采集与分析系统利用各类传感器对温度、湿度、地形等数据进行采集，通过无线或有线方式传输至信息中心进行统一处理，基于物联网的数据采集分析系统利用无线传感网络，将传感器节点进行归类分簇，在无线传感网络内进行融合处理后再传输，提高了采集分析效率。本文设计基于ARM的船舶移动数据采集分析系统，最后进行仿真。

关键词：物联网；数据采集；无线传感网络

引言

随着传感器技术、RF射频技术及无线传感网络技术的发展，基于物联网的数据采集分析系统逐渐代替传统的单中心数据传输及处理架构，将传感器节点按照一定逻辑进行划分，划分后的子网中采集数据在内部先进行融合，并通过簇首节点与其他无线传感及处理中心进行交互[1]，有效提高了采集数据的传输及处理效率。本文在分析船舶移动数据采集系统架构基础上，重点研究基于物联网架构的实现技术，最后设计基于ARM的处理系统。

1物联网的通信方式分析

物联网数据采集与分析系统的数据通信由无线传感网络内部通信和无线传感网络与处理中心之间通信2部分组成，其中传感网络与处理中心的通信方式与传统架构一样，分为有线以太网传输与无线通信传输（各类3G，4G传输技术），传感网络内部有以下3类主流传输模式：1）Wi-fi短距离通信技术Wi-fi适用于短距离的传感器节点数据传输，在一个子网络内部设立中心控制器MAC，对各个传感器数据路由进行转发。Wi-fi适用于传输半径200m内的无线传感网络[2]。2）NFC无线传输技术与Wi-fi短距离通信技术相比，NFC无线传输技术信道的建立更快，并通过特定频率的载波对数据进行加密传输，但其数据传输的距离更短，适用于海上军事通信系统。3）ZigBee通信技术适用范围最广泛的物联网无线传感网络通信技术，对于不同网络层的应用接口API都进行了规范，适用于覆盖范围较广的传感网络，网络容量较大，适用于海上气象传感网络、海底勘探系统等。

2船舶移动采集分析系统软件设计

以嵌入式Linux为操作系统，搭建了基于物联网的船舶移动采集分析系统，传感器网络传输利用Zig-bee通信技术对采集数据进行传输，传感网络与处理中心的管理平台通过TCP传输[3]，整个系统的功能模型如图1所示。

2.1基于物联网的数据采集模块设计

数据采集模块首先通过身份认证确认传感器的可靠性，外部设备加入采集系统需要向中心管理系统获取身份同步数据，获取完毕后进行数据采集，采用ModbusRTU协议，对高位字节数的扩展可灵活实现传感器数据的删除、增加及修改。数据采集分普通数据与视频数据，对于视频数据采用Linux兼容V4L2接口，将视频信号映射至内存扩展地址。当数据进行调用及传输时，可直接通过绝对或相对内存地址获取图像数据，减少数据拷贝时间。原始的视频数据采用YUV颜色编码格式，Y-U-V分别代表数据的灰色度、亮度及颜色像素。原始YUV格式所占存储空间较大，数据冗余度较高，在传输前需要进行压缩。由于传感网络带宽限制，本文采用H.264高压缩编码方式，压缩比达到100∶1，整个船舶移动数据采集模块如图2所示。

2.2基于物联网的数据传输模块设计

基于物联网的船舶移动数据采集分析系统不仅需要实现传感网络内部的数据传输，还需要实现无线传感网络之间及传感网络与管理中心的数据传输。本文采用Zigbee通信技术，传输速率达到216kb/s。对于传感器采集的普通数据，首先需要在传感网络内部进行数据融合，封装成统一的数据格式。系统的时效性要求较高，精确性要求较低，采用UDP协议[4]。对于采集的视频数据，需要构建客户端/服务端架构B/S，终端可以通过HTTP协议实时浏览图片[5]，支持多线程TCP服务。图3为给出了基于物联网的视频传输流程图。

3算法仿真

最后对本文研究的基于物联网的船舶移动数据采集与分析系统的数据传输进行仿真实验，首先对非视频数据进行传输，一共分为6组，其发送与接收仿真时间如表1所示。可以看出，对于采集普通数据，接收与发送之间的时延在2s左右。图像数据一共分为50组，发送与接收的仿真时间如图4所示。

4结语

本文分析了基于物联网的船舶移动数据采集与分析系统，重点描述采集模块与数据传输模块的实现方式，最后给出仿真结果。

作者：汪婵婵 单位:浙江安防职业技术学院