基于STC15單片機的船舶動力裝置參數(shù)傳輸方法的研究

江蘇航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 季 禹 蔡士奇 程真啟

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”計劃和“中國制造2025”戰(zhàn)略的深入實施，我國航運業(yè)迎來發(fā)展新契機。“互聯(lián)網(wǎng)+船舶”促使信息技術(shù)在船舶領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用提上日程。現(xiàn)有船舶船岸通信傳遞系統(tǒng)受制于到傳輸技術(shù)、成本費用等方面影響，船舶動力裝置參數(shù)傳輸方法有待提高。此背景下，本文基于傳統(tǒng)機艙動力設(shè)備參數(shù)采集與處理方法進行理論探究，建設(shè)基于STC15系列單片機的智能傳感器和基于光纖網(wǎng)的機艙信息平臺，以解決船舶機艙海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c流暢性問題。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人工智能、大數(shù)據(jù)等新興計算機技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。2017年6月，IMO第98次海安會討論了航運科技大國提出的海上自主航行船舶，同意成立工作組研究相關(guān)的法律、安全、環(huán)保對策。至此，“智能船舶”這一概念被正式提出。“智能船舶”是指將先進的自動化、信息化、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)運用于船舶信息的獲取、處理及決策過程。從目前的研究結(jié)果來看，船舶大數(shù)據(jù)多體現(xiàn)在遇險報警、緊急通信、航行警告、氣象警告等船舶航行安全信息領(lǐng)域的應(yīng)用。而在船舶通信領(lǐng)域中，無論是內(nèi)河還是遠洋船舶的船岸通信，與船舶機艙動力裝置參數(shù)傳輸方面的研究甚少。就目前的船舶通信而言，機艙動力裝置參數(shù)的通信傳輸已成為智能船舶與無人船舶的技術(shù)瓶頸之一。對此，本文致力于對機艙動力裝置海量參數(shù)傳輸提出一種新型的采集和運行方案，從而使岸端控制中心實時掌握船舶重要動力設(shè)備運行狀態(tài)、實現(xiàn)船岸一體的智能管理。

1 船舶動力裝置參數(shù)傳輸方案設(shè)計

1.1 整體設(shè)計

本次設(shè)計主要研究微控制器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸三大部分。信息采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過第一階段的簡易處理之后，傳輸給微控制器STC15。而后，微控制器STC15運行其內(nèi)部嵌入的控制算法，利用光收發(fā)器將數(shù)字信號以光的形式傳輸?shù)胶笈_控制系統(tǒng)（見圖1）。具體而言，為適應(yīng)船舶動力裝置系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量大特點，本次研究將船舶機艙專用的將傳感元件與單片機相結(jié)合，利用信息處理技術(shù)，形成一個可以實時傳遞參數(shù)的新型智能傳感器。該傳感器被賦予一個IP地址，提供DC24V傳感器隔離電源為傳感器工作提供持續(xù)的動能。并且，智能傳感器內(nèi)部置有控制程序，該程序固化于單片機芯片中，以光形式輸出數(shù)字信號，大大提高了傳感數(shù)據(jù)傳輸效率。

圖1 智能傳感器原理圖

1.2 基于單模光纖的機艙網(wǎng)絡(luò)信息平臺

分布數(shù)據(jù)庫同步機制是光纖網(wǎng)絡(luò)信息平臺的運行核心機理。這一機制是針對數(shù)據(jù)同步領(lǐng)域的一項新技術(shù)。該技術(shù)淘汰了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫速度慢、網(wǎng)絡(luò)不安全、協(xié)議繁瑣、費用高的傳統(tǒng)“通信模式”。此舉促使光纖網(wǎng)絡(luò)信息平臺的每個節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)連接處均串入專用芯片，節(jié)點設(shè)備通過專用芯片與其他設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通。芯片內(nèi)部包括有分布數(shù)據(jù)庫及同步軟件包，該軟件包支持所有芯片數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡(luò)高速同步。這一運行模式下，分布數(shù)據(jù)庫作為平臺總數(shù)據(jù)庫而存在。而傳輸節(jié)點在工作時流量為零，有效壓縮了平臺流量。在此基礎(chǔ)上，利用WEB技術(shù)開發(fā)機艙網(wǎng)絡(luò)信息平臺作為機艙信息控制中心，基于計算結(jié)果進行決策。該技術(shù)系統(tǒng)圖簡述如圖2所示。

圖2 分布數(shù)據(jù)庫同步原理圖

2 船舶動力裝置參數(shù)傳輸技術(shù)分析

2.1 全新船舶動力裝置智能傳感器

本研究所采取船舶動力裝置智能傳感器是基于最新的STC15系列微處理芯片而研發(fā)。15系列單片機在12的基礎(chǔ)上添加了更加強大的功能。就運行速度而言，15系列比11系列和12系列的運行速度提升了20%。且15系列單片機內(nèi)置的RC振蕩器具有更高的精度（0.3%）與更小的溫飄。除此之外，15系列單片機可設(shè)定多頻傳輸。它擁有四個獨立串口與SPI接口，其內(nèi)擴靜態(tài)隨機存取存儲器大小達4K，并擁有5路定時器、6路CCP/PCA/PWM比較捕獲單，為船舶動力裝置數(shù)據(jù)捕獲與傳輸提供強大的硬件支撐，單片機芯片構(gòu)造如圖3所示。其中，芯片傳感器供電電源為12V，經(jīng)過LM1117_5穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生5v的交流電源傳輸給單片機。之后，單片機通過串口U1和光收發(fā)器，進行數(shù)據(jù)傳輸通信。具體而言，首先利用AT指令配置單片機參數(shù)，設(shè)置傳輸波特為9600bps。其中包含8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。本次實驗暫不設(shè)置校驗位，工作模式設(shè)置為“STATION”。其次，將數(shù)據(jù)傳輸模塊與船舶通信基站聯(lián)通。最后，將建立的TCP/IP連接保存至“PARAMETER”區(qū)域，以保證數(shù)據(jù)成功建立傳輸連接并進行數(shù)據(jù)穿透。

圖3 STC15系列微處理芯片

2.2 分布數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)信息平臺

從數(shù)據(jù)傳輸層面來看，本次研究采用了“觸發(fā)式”更新數(shù)據(jù)庫機理，從而保證巨量傳輸效率與可靠性。“觸發(fā)式”更新數(shù)據(jù)庫徹底改變了先前的機械式定時更新數(shù)據(jù)庫的方式。在沒有數(shù)據(jù)刺激時間段，“觸發(fā)式”數(shù)據(jù)庫處于“休眠狀態(tài)”。當(dāng)有數(shù)據(jù)刺激時，“觸發(fā)式”數(shù)據(jù)庫開始工作。這一數(shù)據(jù)庫運作機理從根本上減少了CPU的開銷，縮減網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸量，為大數(shù)據(jù)傳輸與存儲創(chuàng)新了一條新路徑。從數(shù)據(jù)處理層面來看，本研究采用WEB服務(wù)器實現(xiàn)與單片機的實時互通。一方面，此舉簡化了單片機數(shù)據(jù)傳輸流程，緩釋單片機傳輸壓力。另一方面，利用WEB服務(wù)器自由的處理條件，研究人員可以自由設(shè)計高性能數(shù)據(jù)處理算法，提升網(wǎng)絡(luò)信息平臺數(shù)據(jù)處理能力，為船舶動力裝置參數(shù)傳輸與處理提供可靠條件。

結(jié)語：本文通過對現(xiàn)有船舶機艙大數(shù)據(jù)采集和處理的研究成果進行梳理，針對傳統(tǒng)動力參數(shù)控制系統(tǒng)所存缺陷，構(gòu)建了基于STC15單片機的船舶動力裝置參數(shù)傳輸方案。驗證結(jié)果表明，基于STC15單片機的船舶動力裝置參數(shù)傳輸方案，具有良好的信息傳輸能力，完美解決了傳統(tǒng)動力裝置參數(shù)傳輸存在的問題與不足，為未來船舶動力裝置參數(shù)傳輸方法研究提供了新的思路與方向。