船用多功能無線傳感器網絡的設計與應用

萬 滔

(長江航道局，湖北 武漢 430010)

船用多功能無線傳感器網絡的設計與應用

萬 滔

(長江航道局，湖北 武漢 430010)

針對長江航道局數字機務的改造需求，提出并設計了一種船用多功能傳感器網絡系統。該傳感器網絡系統由多個艙室基站以及多種無線功能節點構成，其不僅可以無線采集船舶設備的狀態信息，而且可以完成船舶人員的動態定位監測。各個艙室基站之間通過RS485通信總線實現信息互聯，克服了船體金屬結構對無線信號的屏蔽效應。試驗結果表明，所設計多功能船舶傳感器網絡可以在相關航道維護船舶上推廣應用。

船舶；數字機務；無線傳感器網絡；自動監測；設備監測；人員監測

0 引言

無線傳感器網絡的概念一經提出，立即得到了廣大研究人員的充分關注，并且在很多行業得到了應用[1]。但是，無線傳感器網絡技術在船舶領域的應用極少，主要原因是絕大多數船舶均為金屬結構，其對于無線信號具有屏蔽效應，同時，發電機、電動機等船載設備會產生大量的電磁干擾，因此，關于無線傳感器網絡技術在船舶領域的研究報道相當有限。但是，船舶無線傳感器網絡可以有效降低船舶電纜敷設的工作量，極大提高船舶傳感器布設的靈活性，非常適用于船舶的信息化改造。

長江航道局近年致力于數字航道建設，數字機務作為數字航道建設的重要組成部分，其主要包括所屬航道維護船舶(航標船、測量船、巡檢快艇)以及航道疏浚船舶的機務信息化、數字化和網絡化等。通常情況下，機務信息化的數據來源主要為船端所配備的機艙報警系統。

目前長江航道局絕大部分在役船舶所配備機艙報警系統數據較少，有的船舶還沒有配置機艙報警系統，因此給數字機務項目的實施帶來了困難，面臨著大量的船舶機艙報警系統改造需求。同時，長江航道局所屬船舶對船舶人員的管理多采用靜態模式，缺乏動態管理手段。

為減少改造工程所涉電纜的敷設量以及提高傳感器布設的靈活性，同時為加強對船舶人員的動態管理，本文設計了一款多功能船用傳感器網絡，既可以和現有的船舶機艙報警系統相結合，完成船舶設備信息的實時采集，又可以動態監測船舶人員定位信息。

1 系統設計

1.1 總體設計

系統總體架構如圖1所示。系統總體架構包括若干艙室基站，機艙報警系統上位機和人員監測系統上位機等，它們之間采用RS485總線和MODBUS通信協議實現信息互聯。每個艙室基站相互獨立，分配唯一的MODBUS從站地址。艙室基站可以自由布置于船舶任何艙室，如駕駛室、集控室、機艙、會議室、餐廳、船員艙等，同時艙室基站的數量可以隨著船舶改造需求動態設置。機艙報警上位機作為MODBUS主站，定時發送MODBUS查詢命令，采集每個艙室基站的設備信息和人員定位信息。人員監測上位機則負責監聽RS485通信總線的通信信息，獲取人員定位信息。

圖1 系統總體架構框圖

每個艙室基站均支持2種類型的節點，分別是定位節點和設備節點。艙室的節點分布如圖2所示。其中，定位節點用于船舶人員定位信息的動態監測，由船舶人員攜帶；設備節點則負責設備運行狀態信息和報警數據的采集，支持模擬量、數字量以及開關量等。

圖2 艙室節點分布圖

1.2 傳感器節點硬件設計

設備節點和定位節點的架構類似，如圖3所示。其中，主控芯片均采用Atmel公司的AVR RISC結構8位單片機-ATmega128 L，其最高速度可以達到8 MHz。射頻芯片均采用Chipcon/TI公司推出的射頻器件-CC2420，其符合2.4 GHz、IEEE 802.15.4通信標準，支持的數據傳輸率能夠達到250 kbps，支持多點對多點的快速組網。通信天線則選用2.4 GHz工業級高頻橡膠天線。同時，所有設備節點和定位節點均擴展了I2C總線接口、CMOS電平接口、ISP、JTAG接口、蜂鳴器以及LED燈。

對于設備節點，擴展了相應的模擬量和開關量接口，用于設備傳感器模擬量信號以及開關量信號的采集。為保證設備節點免受外部信號的干擾，所涉模擬量信號均采用電磁隔離模擬芯片采集，所涉開關量信號均采用光電隔離芯片采集。

對于艙室基站，擴展了RS485通信接口，用于與機艙報警系統上位機以及人員監測系統上位機的數據通信。

圖3 傳感器節點架構

改造用的設備節點所用電源均取自船用24 V直流電源，配有相應的DC/DC電源轉換模塊，定位節點則采用2節5號電池供電。同時，在節點供電模塊中加入自鎖開關，以方便接通和切斷節點供電電源。

1.3 傳感器節點軟件設計

基于美國加州大學伯克利分校的開源傳感器網絡操作系統TinyOS2.1.2版本完成了改造項目所涉的設備節點、定位節點以及艙室基站的軟件設計工作，主要包括TinyOS操作系統移植、設備信息采集驅動程序設計以及應用程序設計等工作。

其中，設備信息采集驅動程序設計主要是面向設備節點。驅動架構為3層結構，分別為硬件接口層(HIL)、硬件適配層(HAL)以及硬件表示層(HPL)。HPL層涉及底層硬件，目前主要支持8路4～20 ma模擬量采集、8路開關量采集以及數字溫度傳感器18b20。

設備節點、定位節點以及艙室基站所對應的應用程序功能差別較大，但是均由頂層配件、核心處理模塊和其他組件等組成。每個應用程序僅對應一個頂層模塊，核心處理模塊則與頂層模塊相對應，并根據程序功能要求選擇組件。

艙室基站支持無線信號收發以及與上位機之間RS485總線通信。它可以接收設備節點、定位節點信息，如傳感類型消息、RSSI類型消息等，同時可以轉發機艙報警上位機通過RS485總線向設備節點和定位節點所發送命令消息，如系統配置消息和節點呼叫消息等。

定位節點的主要功能為周期性獲取和發送RSSI值，系統依據RSSI值獲取節點的定位信息。定位所用的RSSI消息結構為：

typedef nx_struct position_msg{

nx_uint16_t xuhao_position;

nx_uint16_t id;

nx_uint16_t rssi;

} rssi_ msg_t;

其中，xuhao_position表示定位節點RSSI消息包的序號，id表示定位節點序號。

設備節點的主要功能為周期性采集和發送設備傳感器模擬量和開關量消息，消息結構為：

typedef nx_struct device_msg {

nx_uint16_t xuhao_device;

nx_uint16_t error;

nx_uint16_t data;

} radio_sense_msg_t;其中，xuhao_device表示設備節點發送消息包的序號，error表示傳感器數據是否有效，data表示設備傳感器數據。

2 部署與測試

將所設計船用多功能傳感器網絡部署于需要改造的長江航道局南京航道局所屬某40 m級航標船。

機艙報警上位機位于機艙集控室，人員監控主機位于駕駛控制臺；分別在船舶機艙、會議室、駕控臺、船舶左舷、右舷等6個位置部署艙室基站，基站與上位機之間通過屏蔽穿艙電纜互聯；在船舶機艙部署主機設備節點、油位設備節點、配電設備節點、船舶吃水設備節點等，在舵機艙部署舵角設備節點。主機設備節點主要采集船舶左、右主機的轉速、冷卻水水溫以及潤滑油壓力等，油位設備節點主要采集船舶左、右油艙的油位等，配電設備節點主要采集電站電壓、電站電流、岸電電壓、岸電電流等，船舶吃水設備則主要采集船舶吃水深度；定位節點3個，分別由實驗人員隨身攜帶。

分別在船舶主機、發電機等主要設備開啟和停止狀態，船舶航行狀態和停止狀態對系統進行了測試，所設計多功能傳感器網絡均可以有效完成設備運行參數的采集以及人員有效定位。同時，對系統進行了丟包率測試，測試結果表明在主要設備開啟狀態下，船舶機艙位置的節點通信丟包率達到0.08%，較停止狀態的丟包率0.02%稍有增加，但是不影響系統使用。船舶是否處于航行狀態對系統丟包率沒有影響。

3 結語

本文所設計船用多功能傳感器網絡主要包括艙室基站、設備節點和定位節點等，設備節點可以完成船舶設備信息的實時采集，并將信息傳輸給船舶機艙報警系統，同時通過人員監測上位機可以動態監測船舶人員定位信息。在相關航道維護船舶上系統測試結果良好，為長江航道局船舶信息化改造提供了有益的嘗試。

[1] 孫利民. 無線傳感器網絡[M]. 北京：清華大學出版社, 2005.

2014-12-20

萬滔(1967—)，男，高級工程師，主要研究方向為船舶工程及其管理。

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