船艙內異常壓力警戒監控平臺的設計與實現

戴立坤

(江蘇海事職業技術學院 信息工程學院，江蘇 南京 211170)

船艙內異常壓力警戒監控平臺的設計與實現

戴立坤

(江蘇海事職業技術學院 信息工程學院，江蘇 南京 211170)

傳統方法一般基于物聯網技術對船艙內的異常壓力警戎監控，且主要通過增加數據分析模塊來縮短監控時間，卻忽略了監控領域對監控性能的影響，存在監控不準確、效率低及性能差的問題。提出一種船艙異常壓力警戒監控的無線網絡平臺。對硬件部分的警戒模塊、接口模塊、電源模塊、控制模塊、傳輸模塊、采集模塊進行分析，通過采集模塊對船艙異常壓力警戒監控數據進行采集，利用傳輸模塊將所得數據進行傳輸，借助接口模塊對各模塊進行接口設置，電源模塊提供電源，警戒模塊主要是對船艙內異常壓力進行警戒，并設計無線網絡平臺軟件部分。實驗結果證明，所設計的監控無線網絡平臺其監控所需時間更短、準確度更高，具有更好的性能。

船艙；異常壓力；警戒；監控；無線網絡平臺；設計

0 引 言

隨著地方經濟的快速發展，漁業迎來了前所未有的商機，以漁業為生的人群大量增加，在出海打漁時，除了有用的海鮮類之外，船艙內異常壓力往往無法避免，異常壓力直接影響漁船安全，同時，也增加了漁民的安全風險，降低了安全性能，需要實時對船艙內的異常壓力進行警戒[1-3]。為此，船艙內異常壓力警戒監控平臺的設計，受到了廣泛的關注，出現了很多好的方法[4-5]。

文獻[6]提出基于移動終端的監控物聯網平臺設計方法，通過移動互聯網、移動通信和衛星通信等技術，設計了監控物聯網平臺，該平臺可有效的對船艙內異常壓力情況進行監測，但是存在監測效率低的問題；文獻[7]提出基于 WEBGIS 的物聯網平臺，通過在數據分析模塊添加 TMS320DM642 芯片，提高數據分析能力，實現對船艙異常壓力的實時警戒監控，但是存在平臺監測性能差的問題；文獻[8]設計了一種基于無線傳感器的物聯網平臺，通過對船艙異常壓力數據進行分析，用無線傳感器將數據采集模塊及分析模塊進行連接，增加物聯網平臺的監控性能，但是存在平臺數據采集時間長的問題；文獻[9]提出基于 MQTT 的物聯網平臺設計方法，通過介紹服務器通信協議MQTT 的基本原理，基于該協議設計一個物聯網平臺，通過架設代理服務器，實現移動 APP 和前端設備節點的信息采集與分析，且該系統具有良好的穩定性、實時性和并發性，但是存在監控誤差大的問題。

針對上述問題，設計并實現了一種船艙異常壓力警戒監控的無線網絡平臺。對硬件部分的警戒模塊、接口模塊、電源模塊、控制模塊、傳輸模塊、采集模塊進行了分析，并設計了平臺軟件部分。實驗結果證明，本文設計的監控無線網絡平臺其監控所需時間更短、準確度更高，具有更好的性能。

1 船艙內異常壓力警戒監控無線網絡平臺硬件設計

1.1 電源模塊

船艙內異常壓力警戒監控無線網絡平臺電源由+ 24 V 的蓄電池提供，模擬信號調理電路電源為 + 12 V。因為是蓄電池供電，使得電壓不穩，不能直接接到控制器上使用，需要設計將電壓調整為穩壓電源。由于船艙內異常壓力警戒監控無線網絡平臺使用環境干擾較大，DC/DC 模塊電網體積小，性能好，使用方便，能夠省卻電源設計、調試方面的麻煩，增加平臺的可靠性。選擇使用 DLM05-24S05 型和 DLM3/5-24D12 型寬電壓輸入隔離電源模塊，使電壓精度達到 0.01，隔離電阻為 500 MΩ，隔離電壓為 500 VDC。供電電源電路如圖 1 所示。

由圖 1 可以看出，輸入到模塊的 + 24 V 電源通過DLM3/5-24S05 后輸出 5 V 電壓，給 + 5 V 平臺供電。經過 DLM3/5-24D12 后輸出 12 V 電壓，給出 + 12 V 模塊供電。

1.2 接口電路

Header 3X2 是由 Freescale 半導體公司壓法的一種單線調試方式芯片，是單片機普遍使用的調試方式之一。可通過 BDM 調試器對目標板 MCU 的 FLASH 進行寫入，擦除等操作用。BDM 硬件調試插頭的設計也較為簡單，主要是要滿足傳輸時序關系與電平轉換需要。接口電路模塊如圖 2 所示。

接口電路采用 MC9S08DZ60 調試器，其 BKGD 和RESET 信號分別與電源模塊的第 33 管腳與第 8 管腳相連，在進行船艙異常壓力警戒數據傳輸時，采用11111 極開路驅動的方式，平時使用上拉電阻維持高電平。

1.3 傳輸電路

傳輸電路主要由 CAN 控制器、CAN 驅動器和附件組成。因為 MC9S08DZ60 單片機構建了 CAN 總線的控制器，因此無需考慮 CAN 總線控制器的設計，僅考慮 CAN 總線接口電路設計即可，其性能達到 TTL電平和 CAN 總線電平轉換的目的。傳輸電路模塊如圖 3所示。

CAN 總線驅動器使用高速收發器 TJA1040。TJA1040 是總線供應差動的數據輸送功能和差動的數據接收功能，增強了總線的數據傳輸能力，此芯片需要在總線兩引線間接入一個 120 Ω 電阻來減少數據傳輸時產生的能耗。為了增強 CAN 總線的傳輸時的抗干擾能力，使用 MC9S08DZ60 的 TxCAN 和 RxCAN 來增加 CAN 總線的傳輸速率，使傳輸速率達到 1 Mbps，增強總線的穩定性。尤其是有 2 個電源 VCC 和 VDD的必須完全隔離，否則數據傳輸能耗增加，效率降低。

1.4 數據采集模塊

數據采集模塊主要由 MCU、外部時鐘、復位電路、電源模塊、接口電路、CAN 總線收發器、數據調理電路組成。能夠采集 24 通道傳輸數據值，具有 12位分辨率，2.5 μs 轉換時間，有自動采集功能。

1.5 控制模塊

船艙異常壓力警戒監控中心的有線控制是經過 Internet 把數據輸送到區域管制中心或管制終端的，監控范圍控制中心配置有共用的計算機，能夠經過網卡和控制中心 PC 機進行網絡傳輸，而控制終端的計算機是 1 個 C8051 單片機，無直接和以太網連接的接口。必須要設計 1 個以太網控制模塊，達到控制終端和上級控制中心網絡通訊的目的。使用 Silicon Lab 公司研發的 CP2200 以太網控制芯片和 MCU 配合達到以太網通信的目的。以太網控制模塊如圖 5 所示。

CP2200 以太網控制芯片包含 1 個符合 IEEE802.3規范的以太網媒體訪問控制器（MAC）和 1 個 10BASE-T 物理層接口（PHY），采用 48 針 TQFP 格式封裝。具有全/半雙工通信模式。CP2200 內的 Sk-FLASH 存儲器，具有 11 個 I/O 引腳以上的 MCU 或主處理器供應以太網通信性能。8 位并行總線接口支持Intel 及 Motorola 總線模式，具備 I/O 引腳復用及非復用兩種尋址方法，在非復用尋址方法下，數據輸送速率能達到 30 Mbps。此控制模塊的主要新更能是對全體船艙異常壓力警戒監控無線網絡平臺進行控制，提高平臺穩定性，增加平臺性能。

1.6 警戒模塊電路

警戒模塊由FPGA通過控制模塊控制，警戒模塊電路如圖 6 所示。

當 FPGA 接收到控制中心發出的命令后，經過擴頻碼同步、載波同步后，根據命令內容，發出警戒信息。當收到的信息為船艙異常壓力警戒信息，則三相開關關閉，兩相開關開啟，警戒信息發出；反之，正常情況下，三相開關開啟，兩相開關關閉，無警戒信息發出。

2 實驗結果分析

為了驗證設計的船艙異常壓力警戒監控無線網絡平臺性能，需要進行實驗驗證分析。實驗環境為：雙核 P4 1.6 G 的 CPU，內存為 2 G 以上，Windows2000 操作系統上進行，信息傳輸速率為 50 kbps，實驗數據來自 mysq2000，實驗采用移動終端監控平臺、MQTT 協議監控平臺與本文設計平臺對比。實驗用簡易平臺如圖 6 所示。圖中，1 為主監控中心；2 為傳輸模塊；3為電源；4 為警報模塊；5 為信息采集模塊；6 為接口模塊；7 為開關。

為了驗證設計平臺的有效性，在測試范圍一定的情況下，分別采用移動終端監控平臺、MQTT 協議監控平臺為對比，進行監控所需時間方面的對比實驗分析，對比結果如圖 8 所示。

由圖 8 可知，采用移動終端監控平臺時，其所需時間約為 5.9 s，但隨著監控范圍的增加，所需時間也隨著增加，不適合大范圍的使用；采用 MQTT 協議監控平臺時，其所需時間約為 7 s，隨著監控范圍的增加，而存在大量的波動，穩定性較差；采用本文設計的平臺時，其所需時間約為 4.5 s，且隨著監控區域的增加，其所需時間逐漸下降，相比其余 2 個平臺，其所需時間分別降低了約 1.1 s 和 2.5 s，具有一定的優勢。

為了驗證設計平臺的有效性，在時間一定的情況下，進行監控平臺監控準確度方面的對比實驗分析，對比結果如圖 9 所示。

由圖 9 可知，采用移動終端監控平臺時，其監控準確度約為 50.5%，且隨著監控時間的增加，監控準確度下降，不適合大范圍使用；采用 MQTT 協議監控平臺時，其監控準確度約為 37.2%，且隨著監控時間的增加，出現大量的波動穩定性能差；采用本文設計平臺時，其監控準確度約為 74.3%，且隨著監控時間的增加而增加，相比移動終端監控平臺、MQTT 協議監控平臺，其監控準確度分別提高了約 23.8%、37.1%，具有一定的優勢。

4 結 語

針對傳統的船艙內異常壓力警戒監控無線網絡平臺，一直存在監控不準確的問題。本文設計并實現了一種新的船艙內異常壓力警戒監控無線網絡平臺，對組成的硬件部分進行了詳細分析，并設計了平臺軟件。經實驗對比分析可知，采用本文設計的平臺，相比傳統的監控平臺，監控準確度更高，性能更好。

[1]王旭東, 吳楠, 曠亞和, 等.船艙可見光無線通信技術的應用[J].中國航海, 2014, 37(4): 1-5.

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[3]陳平山, 董志良, 張功新.新吹填淤泥淺表層加固中“土樁”形成機理及數值分析[J].水運工程, 2015(2): 88-94.

[4]張亮.基于物聯網的警衛駐地安全警戒研究[J].江蘇警官學院學報, 2014, 29(4): 112-115.

[5]劉國棟.基于物聯網技術的危化品物流安全監控平臺研究[J].物流技術: 裝備版, 2014(2): 88-91.

[6]左文娟, 張秋菊.基于REST物聯網監控系統設計[J].計算機工程與設計, 2016, 37(1): 21-25.

[7]陳昕.物聯網技術在泥漿船監管中的應用研究[J].中國新通信, 2016, 18(4): 65-65.

[8]舒松, 戴暉.基于物聯網技術的船舶危險品運輸監控系統設計[J].艦船科學技術, 2015, 37(5): 221-224.

[9]楊啟堯.基于物聯網技術的船舶智能消防系統[J].浙江水利水電學院學報, 2015(1): 67-71.

Abnormal pressure inside the cabin alarm monitoring platform design and implementation

DAI Li-kun
(Department of Information and Engineering, Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170, China)

Tradition method based on Internet of things technology to monitor the abnormal pressure warning Dijon, cabin and mainly by increasing the monitoring data analysis module to shorten the time, but ignore the monitoring field affect the performance of monitoring, monitoring is not accurate, low efficiency and poor performance.Put forward a kind of abnormal pressure cabin alarm monitoring platform for the wireless network.The hardware part of the alarm module, interface module, power module, control module and transmission module, acquisition module are analyzed, through the acquisition module for the cabin abnormal pressure monitoring data are collected, and use will be transfer the data transmission module, with the help of interface module, the module interface Settings, power supply module provides power to alert module is mainly to alert of abnormal pressure in the cabin, and designed the wireless software platform.The experimental results show that the designed monitoring wireless network platform, the monitoring of the required time is shorter, higher accuracy, has better performance.

cabin；abnormal pressure；alert；monitoring；wireless network platform；design

U675.7

：A

1672-7619(2017)01-0150-04doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.031

2016-10-27；

: 2016-11-19

戴立坤(1971-)，男，副教授，主要研究方向為計算機網絡及物聯網應用技術。