船艙溫度監測系統的設計與實現

王伯槐+劉黎

摘 要：一般情況下艦船工作環境惡劣，為提高艦船內信號采集的高可靠性和連續不間斷的工作要求，許多測控裝備常常需要采取措施進行數字化傳輸。為解決船舶艙內實時溫度測控問題，文中設計了一種溫度監測系統。系統信息采集采用冗余設計，在系統架構及軟硬件設計方面提出了可靠性設計及措施，解決了艦船用溫度監測系統信號采集的可靠性問題。

關鍵詞：溫度監測；可靠性；監測系統；數字化

中圖分類號：TP274+.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）08-00-02

0 引 言

隨著我國國力的不斷提升，人們愈加重視各種交通、運輸工具等的安全性，對交通工具中裝備的可靠性、穩定性要求更加嚴格[1]。船舶作為海上有效的運輸工具，其安全性、舒適性得到人們的廣泛關注。為保證乘客和有溫度要求貨物的環境溫度，需要隨時了解和監控船艙內溫度變化情況。艦船內溫度監控系統也從簡單到復雜、從人工監控記錄向自動化發展，其智能化程度與準確度越來越高[2-6]。但因為風浪、天氣等客觀原因，一般情況下艦船工作環境惡劣。為提高艦船內信號采集的高可靠性和連續不間斷的工作要求，許多測控裝備常常需要采取措施，并進行數字化傳輸[7]。在此所設計的溫度監控系統采用冗余設計，傳感器負責收集各種信息，之后進行表決，使數據采集在相對惡劣甚至傳感器部分失效的情況下，數據采集仍然可靠有效，實現對船艙內溫度的實時性和高可靠性監控。

1 系統架構

船艙溫度監測系統主要由多個數據采集節點單元和主控機單元組成。主控機可以采用通用的PC或服務器以提供更豐富的控制功能并提升可靠性。主控機采用通信接口與連接在總線上的各監測節點通信，負責對整個系統中分布于各艙的檢測節點進行監控，發送控制命令和參數配置信息，并接收來自各節點的狀態信息和測量數據，監視船艙環境參數。數據采集節點控制單元主要由傳感器、表決器、單元主控制模塊和通信單元組成。數據采集節點控制單元通過參數傳感器實時采集船艙中的主要溫度信息，經表決器獲得可靠數據，再交由單元主控器處理信號，由通信單元生成協議報文，并經由總線將數據發送到主控機，同時接收主控機的控制命令和參數配置信息，并及時給予反饋。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

系統所有數據采集控制單元通過總線與主控機相連，對監控對象實現信息采集。工業傳感器有較強的抗干擾能力和可靠性[4]，但由于機艙環境極為惡劣，作業期間維修困難，一旦出現故障很難及時修復，所以對監控系統的可靠性要求很高，故采取冗余設計。數據采集單元將相同功能的傳感器設計為3個，每次對采集到的數據進行表決，一個設備有問題不會影響整體采集結果。由此可見，冗余保證了系統工作的連續性、穩定性。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器模塊

數據采集節點選擇DS18B20作為溫度傳感器，具有可實現高精度控溫、轉換速度快、具有極強的抗干擾糾錯能力等特點，該傳感器首先采集周圍環境的溫度信息，然后把它們存儲在自己的內存中。由單元主控器進行數據采集、處理和采集點顯示等。DS18B20將溫度采集后轉換成輸出的16位二進制數，存儲在DS18B20的兩個8位的RAM中。二進制數的前5位是符號位，如果溫控量的溫度不小于0，那么這5位為0，然后將得到的二進制數值乘以0.062 5就可得到溫控量的實際溫度；反之，若溫度小于0，那么這5位為1，然后將得到的數值取反加1再乘以0.062 5就可得到溫控量的實際溫度。選用數字溫度傳感器DS18B20，省去了采樣/保持電路、運放、數/模轉換電路以及進行長距離傳輸時的串/并轉換電路，從而簡化了電路，縮短了系統的工作時間，降低了系統的硬件成本。數據采集節點結構如圖2所示。

2.2 溫度采集模塊的可靠性計算

溫度采集的可靠性是溫度監測控制系統的工作基礎[7]。單個數據采集的傳感器模塊在某一時刻之前正常工作的故障率λ（t）和可靠度R（t）計算如下：

（1）

在實際數據統計中其近似值為：

（2）

（3）

其中，n（t）為試驗開始到時間t時仍失效的元器件、裝置數；n為進行實驗的元器件、裝置總數。實際計算值如下：

平均壽命（無故障工作時間）：

3 軟件設計

系統程序主要包括主程序、數據采集子程序等。

3.1 主程序流程圖

主程序對整個系統進行控制。啟動后，首先對系統初始化，根據系統參數設置各采集單元，之后開始不間斷掃描各節點數據信息，將采集到的數據存入數據庫中，并進行狀態判斷，如遇不正常情況，則采取相應溫度控制措施，如加溫和降溫等。之后對歷史數據進行分析，預判溫度變化趨勢，為決策提供依據。其程序流程如圖3所示。

3.2 數據采集程序流程圖

在數據采集節點主程序中，由嵌入式系統控制整個電路，DS18B20進行溫度采集，并且通過嵌入式系統在液晶顯示器上顯示溫度。當溫度達到指定溫度時將數據傳入嵌入式系統內進行處理。DS18B20的讀時序開始在總線上傳送1或0。若DS18B20發送1，則保持總線為高電平；若發送0，則拉低總線。DS18B20發出的數據在讀時序下降沿起始后的15 μs內有效，因此主機在讀時序開始后的15 μs內釋放總線。

4 實驗測試

為了測試設計的系統工作情況及性能，需要進行實驗驗證分析。采用AMD Athlon（tm）X4 CPU，內存為8 GB，在Windows7操作系統上進行，數據庫為MySQL。

通過測試分析，實測溫度數據見表1所列，溫度實測誤差平均在0.4～0.5℃之間，因此，軟件較正值設為0.4℃。

經仿真和實物測試，歷史數據存儲于數據庫中可追溯分析，數據采集可靠連續，實時工作滿足設計要求。數據采集節點實物如圖4所示。

5 結 語

本文設計的可靠的溫度監測系統為惡劣環境提供了一種采集、監控現場溫度的有效方案。可以利用監控軟件實時監測溫度，也可以現場監測，并能根據記錄的歷史溫度數據進行有效分析和合理判斷，從而有效節省了人力資源，適用于需要長時間監測現場環境或環境惡劣的場所。此外，系統可以更換不同的傳感器來測量其他環境參數，如測濕度、有毒氣體等，具有一定的通用性。

參考文獻

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