基于ZigBee的船艙環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)研究

劉春陽，周海峰，李宇飛，邊婷婷，劉 濤

(1．集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2．福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021；3．金華市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，浙江 金華 321000)

基于ZigBee的船艙環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)研究

劉春陽1,2，周海峰1,2，李宇飛1,2，邊婷婷1,2，劉 濤3

(1．集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2．福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021；3．金華市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，浙江 金華 321000)

通過 IAR Embedded Workbench軟件編譯船艙環(huán)境采集系統(tǒng)程序，采用單播形式建立底層ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)，環(huán)境采集系統(tǒng)MCU采用CC2530芯片，并設(shè)計(jì)合理的外圍電路，實(shí)現(xiàn)船艙溫濕度及LED光強(qiáng)信息的實(shí)時(shí)采集。在船艙不同位置布置超聲增濕器和PWM無極調(diào)光系統(tǒng)，對(duì)不符合艙室要求的環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，同時(shí)和船舶空調(diào)系統(tǒng)對(duì)比，通過船舶局域網(wǎng)，把ZigBee采集的信息傳送到管理中心，上位機(jī)通過LabVIEW進(jìn)行仿真研究，實(shí)時(shí)監(jiān)控船艙的環(huán)境動(dòng)態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)分析，系統(tǒng)可以很好的監(jiān)控船艙環(huán)境，達(dá)到理想效果。

ZigBee；溫濕度；LED；無線傳感；LabVIEW

0 引 言

隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶自動(dòng)化程度不斷提高，傳感技術(shù)正越來越多的被運(yùn)用在船舶領(lǐng)域，目前傳感技術(shù)主要應(yīng)用在船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、壓力以及排放特性等方面的研究，通過在發(fā)動(dòng)機(jī)不同位置布置傳感器，得到我們期望的數(shù)據(jù)以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。船舶對(duì)溫度、濕度等環(huán)境信息的采集，還是采用傳統(tǒng)的有線方式，增加或減少監(jiān)測節(jié)點(diǎn)有很大的局限性，當(dāng)船艙環(huán)境異常時(shí)不能做到實(shí)時(shí)控制，這必然會(huì)對(duì)船舶的綜合性能造成一定影響。根據(jù)要求，船上大部分艙室都有空調(diào)系統(tǒng)，它是用來保證人員和設(shè)備正常工作的重要設(shè)備，其運(yùn)行效果直接影響到船員的工作狀態(tài)和設(shè)備的正常運(yùn)行，但是船舶空調(diào)系統(tǒng)控制復(fù)雜，管路分布繁瑣，施工困難，本系統(tǒng)和船用空調(diào)配合使用，會(huì)起到很好的效果。

1 系統(tǒng)構(gòu)架方案

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫濕度及LED光強(qiáng)控制系統(tǒng)能無線采集監(jiān)控同一船舶多個(gè)艙室的溫度，濕度，光照強(qiáng)度等影響貨物和人員生活的環(huán)境參數(shù)，主要由監(jiān)控艙室內(nèi)ZigBee多參數(shù)采集控制系統(tǒng)，船舶無線局域網(wǎng)(WiFi)以及上位機(jī)LabVIEW監(jiān)測軟件。其中，各個(gè)船艙內(nèi)的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)采集船艙的溫度，濕度，光照強(qiáng)度環(huán)境參數(shù)并對(duì)參數(shù)進(jìn)行適量調(diào)整，船舶無線局域網(wǎng)基于無線路由器構(gòu)建，為整個(gè)系統(tǒng)提供無線通訊網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)艙室通過船舶無線局域網(wǎng)把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱肮芾硖帲O(jiān)控系統(tǒng)通過船舶的無線局域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連通，基于LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)測軟件對(duì)所有ZigBee采集系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)測[1-3]。

根據(jù)系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)ZigBee溫室環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，該硬件系統(tǒng)以CC2530芯片為主控制機(jī)，外圍電路主要包括時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，DHT11溫濕度采集電路，HA2003光強(qiáng)采集電路，PWM無極調(diào)光電路以及超聲波增濕電路。ZigBee船艙環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：(1)溫濕度采集，根據(jù)溫濕度傳感器DHT11的感應(yīng)控制進(jìn)行船艙溫濕度采集；(2)溫濕度控制：根據(jù)DHT11采集的數(shù)據(jù)，超聲波增濕模塊做出相應(yīng)調(diào)整，以達(dá)到最佳溫濕度范圍；(3)光照度采集，根據(jù)光照度傳感器HA2003，將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓值，以此得到艙室內(nèi)光照強(qiáng)度；(4)光照強(qiáng)度控制，利用PT4115驅(qū)動(dòng)器和繼電器等實(shí)現(xiàn)船舶艙室內(nèi)LED的PWM無極調(diào)光。

2 ZigBee船艙監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1ZigBee采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，ZigBee采用單播組網(wǎng)方式，在船艙內(nèi)均勻布置3個(gè)ZigBee采集節(jié)點(diǎn)，用以采集艙室內(nèi)的溫濕度及光強(qiáng)信息，采集節(jié)點(diǎn)采用5號(hào)電池供電，根據(jù)不同需要可以隨意變動(dòng)位置，有很強(qiáng)的可塑性。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)船舶艙室ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立以及網(wǎng)絡(luò)的配置，接收采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，每個(gè)艙室配置一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)現(xiàn)溫濕度采集功能的核心器件為DHT11溫濕度傳感器，根據(jù)系統(tǒng)要求，在船艙內(nèi)不同區(qū)域均勻布置若干個(gè)溫濕度采集節(jié)點(diǎn)，連續(xù)收集船舶艙室的溫濕度，準(zhǔn)確反映出所測艙室環(huán)境的溫濕度并長時(shí)間穩(wěn)定工作?？紤]到采集環(huán)境的特殊性，又考慮到傳感器模塊的大小、成本、測量精度、靈敏度、穩(wěn)定性等因素，所以選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度采集。

DHT11傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫度傳感器技術(shù)，傳感器包括一個(gè)電阻式感濕原件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連。供電電壓為3.3～5.5 V DC、輸出單總線數(shù)字信號(hào)、濕度測量范圍20%～90%RH，溫度測量范圍0～50 ℃、濕度測量精度+-5%RH，溫度測量精度+-2 ℃、濕度分辨率1%RH，溫度分辨率1 ℃。如圖2所示DHT11溫濕度傳感器與CC2530電路連接圖。

圖2 DHT11溫濕度傳感器與CC2530電路連接圖

在本系統(tǒng)中，采集節(jié)點(diǎn)的溫濕度信息采集通過連接DHT11 與CC2530的P1_1端口來讀取數(shù)字信息，DHT11傳輸一次數(shù)據(jù)的長度為40b，分為五部分：濕度整數(shù)數(shù)據(jù)8b+濕度小數(shù)數(shù)據(jù)8b+溫度整數(shù)數(shù)據(jù)8b+溫度小數(shù)數(shù)據(jù)8b+校驗(yàn)和8b。CC2530按照時(shí)序讀取DHT11的數(shù)據(jù)時(shí)必須把總線拉低大于18 ms，保證DHT11可以接收到初始信號(hào)，DHT11接收到開始信號(hào)后，會(huì)發(fā)送一段80微秒的低電平響應(yīng)信號(hào)，CC2530延時(shí)等待30微秒后，讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào)，CC2530可以切換到輸入模式或是輸出高電平模式，DHT11發(fā)送響應(yīng)后把總線拉高80微秒，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，DHT11拉低CC2530 50微秒，然后CC2530進(jìn)入空閑狀態(tài)。CC2530讀取DHT11數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 DHT11數(shù)據(jù)流程

光照度傳感器選用HA2003光強(qiáng)傳感器，其采用先進(jìn)光電轉(zhuǎn)換模塊，將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓值，再經(jīng)調(diào)理電路將此電壓值轉(zhuǎn)換為0～2 V或4～20 mA。其量程為200～200 000 Lux，光譜范圍為400～700 nm可見光，廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)。光照度采集程序的關(guān)鍵是依據(jù)HA2003的控制邏輯采集光照強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電壓和電流信號(hào)。光強(qiáng)控制系統(tǒng)將按照HA2003反饋的電壓和電流值對(duì)艙室內(nèi)的光強(qiáng)做出相應(yīng)的反饋處理。

2.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)需要及時(shí)對(duì)環(huán)境狀況進(jìn)行反饋處理，能夠及時(shí)反饋采集節(jié)點(diǎn)收集的溫濕度及LED光強(qiáng)信息，同時(shí)智能調(diào)節(jié)溫濕度控制器和繼電器。終端控制系統(tǒng)主要由超聲波增濕模塊，ZigBee信息接收模塊，PT4115驅(qū)動(dòng)器和繼電器等組成。其中ZigBee信息接收模塊收集來自采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息；繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)LED開關(guān)量的控制；PT4115應(yīng)用脈沖恒流源驅(qū)動(dòng)技術(shù)控制電流脈沖頻率和占空比實(shí)現(xiàn)LED的PWM無極調(diào)光，達(dá)到合理照明度。如圖4所示為濕度控制系統(tǒng)各模塊之間電路連接圖。圖5所示為LED光強(qiáng)控制系統(tǒng)電路連接圖。

圖4 濕度控制系統(tǒng)電路連接圖

2.3ZigBee轉(zhuǎn)船舶局域網(wǎng)

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分為兩部分，在船舶艙室內(nèi)ZigBee實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器到數(shù)據(jù)采集器的無線傳輸；各個(gè)艙室的數(shù)據(jù)采集器到PC機(jī)之間的通訊連接由船舶局域網(wǎng)WiFi來實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6 船艙監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

WiFi支持兩種網(wǎng)絡(luò)形式：一種是通過AP或無線路由器接入WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，另一種是WiFi設(shè)備間通過AD-HOC直接相連，實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信。系統(tǒng)選用通過AP 無線路由器接入WiFi網(wǎng)絡(luò)的方式，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多點(diǎn)的通信。

WiFi通信電路的核心器件為串口轉(zhuǎn)WiFi接口模塊HLK-RM04，該器件與ZigBee的串口進(jìn)行連接。HLK-RM04與ZigBee連接并正確設(shè)置參數(shù)后，通過ZigBee串口發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)通過WiFi接口發(fā)送，發(fā)送至WiFi接口的數(shù)據(jù)也會(huì)自動(dòng)發(fā)送至ZigBee的串口。WiFi通信電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 串口轉(zhuǎn)WiFi電路

在AT模式下，可以通過串口的AT指令對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)做配置：指令格式如下：

at+[command]=[value]

根據(jù)不同命令模塊將返回不同的返回值。

例：at+remoteip=192.168.11.133 設(shè)置遠(yuǎn)端ip 地址為192.168.11.133。

例：”at+remoteip=？ ”查詢遠(yuǎn)端ip 地址

當(dāng)HLK-RM04串口轉(zhuǎn)WiFi模塊上電后，會(huì)搜尋到WiFi信號(hào)，按下DEFAULT鍵6秒后即可。模塊通過RS-232連接到電腦上，設(shè)置正確的COM口， 比特率，網(wǎng)絡(luò)模式等，搜索模塊即可和ZigBee信息采集器相連，具體如圖8所示。

圖8 串口轉(zhuǎn)WiFi連接狀態(tài)

3 人機(jī)交互顯示界面設(shè)計(jì)

使用LabVIEW編寫終端顯示界面，可以直觀了解到船舶上各個(gè)艙室基本環(huán)境信息，有助于管理人員做出正確分析與判斷。LabVIEW支持多種通道的通信方式，由于文中WiFi模塊和LabVIEW是通過無線相連，所以選用基于LabVIEW的TCP/IP通信連接。

在LabVIEW控制程序中，程序與底層硬件之間的通信是通過WiFi模塊的IP地址來實(shí)現(xiàn)，在LabVIEW程序面板輸入正確的IP地址和端口號(hào)，即可進(jìn)行信號(hào)通信。LabVIEW收集到信號(hào)后需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解截取，在ZigBee信息采集程序中預(yù)先設(shè)定溫度濕度和光照度的字節(jié)長度，當(dāng)LabVIEW采集到信息并進(jìn)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換后，LabVIEW創(chuàng)建索引數(shù)組，對(duì)信號(hào)長度進(jìn)行截取以顯示到前面板[7]。

采集的信號(hào)通過波形圖表、滑動(dòng)桿和數(shù)值三種方式顯示出來，并根據(jù)各個(gè)大棚的不同情況設(shè)置溫度上下限，濕度上下限，光強(qiáng)上下限。當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)異常，LabVIEW會(huì)發(fā)出報(bào)警提示。具體界面如圖9所示。

圖9 LabVIEW顯示界面

4 結(jié)束語

文中針對(duì)船舶艙室環(huán)境不易監(jiān)控的問題，提出一種基于ZigBee的船艙環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，采用ZigBee和WiFi配合傳輸?shù)姆绞?，可以靈活改變監(jiān)控區(qū)域，通過LabVIEW實(shí)現(xiàn)終端監(jiān)測功能，通過實(shí)驗(yàn)仿真得出較好的效果。系統(tǒng)可以省去人工巡視等繁瑣工作，真正做到現(xiàn)代化，智能化。

[1] 朱仲英. 傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)展與趨勢[J]. 微型電腦應(yīng)用, 2010(1): 35-37.

[2] 崔莉, 鞠海玲, 苗 勇, 等. 無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展, 2005,42(1): 166-174.

[3] 孟慶斌, 潘 勇. 基于CC2430的分布式無線溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子測量技術(shù), 2009(5): 128-130.

[4] CC253X Users Guide [EB/OL].[2010-06-25]. http:∥focus Manual(JN-RM-2014), Jennic, 2007.

[5] Enery Efficient Wireless Sensor Networks.pdf [EB/OL]. http:∥www.lib.whu.edu.cn/download.

[6] Power Management for CC2530EB.pdf [EB/OL]. www.ti.com/z-stack.

[7] National Instrunments Corporation. LabVIEW Basic I: Introduction Course Manual. 2008.

Environmental Paramenters Monitoring System in Engine Room Based on ZigBee

LIU Chun-yang1,2, ZHOU Hai-feng1,2, LI Yu-fei1,2, BIAN Ting-ting1,2, LIU Tao3

(1. Marine Engineering Institute of Jimei University Xiamen 361021, Fujian Province, China; 2. Provincial Key Laboratory of Naval Architecture & Ocean Engineering, Xiamen 361021, Fujian Province, China; 3. Jinhua Supervising and Testing Institute of Quality and Technology, Jinhua 321000, Zhejiang Province, China)

The cabin environment acquisition system program is compiled by using the IAR embedded workbench software, underlying ZigBee communication network established through the unicast form. The environmental acquisition system MCU using CC2530 chip, and design reasonable peripheral circuit, to achieve real-time acquisition of the cabin temperature and humidity and LED light intensity information. In cabin located ultrasonic humidifier and PWM regulating light system, to regulation and control the cabin environment that does not conform the requirements，contrast with the ship air conditioning system at the same time.The ZigBee transmitted collection information to a management center. Upper computer simulation and real time monitoring control cabin of a dynamic environment by LabVIEW. Through experimental analysis, the system can monitor the cabin environment to achieve the ideal effect.

ZigBee; Temperature and humidity; LED; Wireless sensor；LabVIEW

2015-05-21

2015-06-09

國家自然科學(xué)基金(51179074；51309116)；集美大學(xué)博士啟動(dòng)金(ZQ2013007)；產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(S13060)

劉春陽(1990.02-)男，河南信陽，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海上裝置能源工程。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.07.012

TN915.02

B

1009-3230(2015)07-0040-05