基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)

楊崇英，楊宏濤，王利卿

(1. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002；2. 河南省工業(yè)學(xué)校，河南 鄭州 450011；3. 河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008)

0 引 言

船舶在運行過程中，其機械設(shè)備的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)以及參數(shù)并不是一成不變的[1–3]。為了使船舶管理人員及時了解船舶機械設(shè)備的工作狀態(tài)，以便在船舶出現(xiàn)非正常運轉(zhuǎn)時，采取積極措施予以處理，保障船舶的安全穩(wěn)定運行，采用合理方式設(shè)計一種能夠較為理想地實現(xiàn)船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)十分必要。

近年來國內(nèi)外諸多學(xué)者設(shè)計了大量船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，羅義軍等[4]設(shè)計了基于AD9467的船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將FPGA 當(dāng)作主控制芯片，控制AD9467 高速型模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將所獲數(shù)據(jù)通過內(nèi)部總線發(fā)送給上位機實施相應(yīng)存儲管理。陳航等[5]設(shè)計了基于千兆以太網(wǎng)的多節(jié)點船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，針對船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)模擬量在進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時面臨的干擾問題，將FPGA 當(dāng)作主控制芯片，通過采取一種可靠的以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，在多節(jié)點完成船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)模擬量采集，并最終將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號在上位機中完成顯示。二者均可有效采集船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，但是常會受到網(wǎng)線限制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集與傳輸效果不夠理想。

為此，本文設(shè)計基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)。在采集完船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)后，使用無線網(wǎng)絡(luò)對其實施合理傳輸，不受網(wǎng)線等因素的限制，便可將數(shù)據(jù)實時傳輸給存儲層進(jìn)行合理存儲。

1 船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)

1.1 總體架構(gòu)

鑒于對船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)在擴展、兼容以及易于維護等方面的需求，設(shè)計一種可較好滿足未來需求的船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)，總體架構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)架構(gòu)包含設(shè)備層、數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層以及數(shù)據(jù)存儲層4 個部分。設(shè)備層作為整個系統(tǒng)的最底層，包含動力設(shè)備、操縱設(shè)備、裝卸設(shè)備、安全設(shè)備以及自動化設(shè)備等多種船舶機械設(shè)備，這些設(shè)備利用內(nèi)部總線與數(shù)據(jù)采集層建立有效連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；數(shù)據(jù)采集層包含數(shù)據(jù)采集、傳感器、應(yīng)急電源以及網(wǎng)絡(luò)通信終端等模塊，通過內(nèi)部總線建立起與設(shè)備層的有效連接，在數(shù)據(jù)采集模塊使用基于FPGA 的數(shù)據(jù)采集技術(shù)將各設(shè)備的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)中，采集工作完成后將其打包交由網(wǎng)絡(luò)傳輸層實施合理傳輸；網(wǎng)絡(luò)傳輸層設(shè)置了無線網(wǎng)絡(luò)、路由器、防火墻、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)節(jié)以及實時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測等幾個模塊，充分利用無線網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)勢，更為實時、可靠以及高效地向數(shù)據(jù)存儲層發(fā)送數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲層以數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)壓縮與控制、數(shù)據(jù)分類存儲以及計算機網(wǎng)絡(luò)接口幾個模塊為主要構(gòu)成，在接收到網(wǎng)絡(luò)傳輸層傳輸過來的數(shù)據(jù)后，對其實時合理分析、控制，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮存儲。

圖 1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig. 1 Overall system architecture

1.2 硬件設(shè)計

1.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

FPGA 芯片不僅在數(shù)據(jù)邏輯控制方面具有顯著優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)運算方面的性能也極佳[5]，故將其應(yīng)用于船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，較之其他控制芯片可收獲更為理想的數(shù)據(jù)采集效果。設(shè)計的數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖 2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計Fig. 2 Design of data acquisition module

1.2.2 無線網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計

一個良好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通常都需要一個安全可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸層。使用無線網(wǎng)絡(luò)完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸，在不必受網(wǎng)線限制的情況下，便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸與共享。在利用無線網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收與發(fā)射操作時，易遭受各種噪聲因素的干擾，從而降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕绊懰纱皺C械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。為了能夠盡量在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下，增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與高效性，本文選用對數(shù)據(jù)較為敏感的CC2531 射頻芯片，對無線網(wǎng)絡(luò)模塊實施合理設(shè)計，設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)模塊框圖如圖3 所示。

圖 3 無線網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計Fig. 3 Wireless network module design

1.3 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時優(yōu)化

在利用無線網(wǎng)絡(luò)對船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實施合理傳輸時，存在延時偏高問題，若不對其進(jìn)行及時處理，將影響整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。為此，本文使用一種基于RPODTD 數(shù)據(jù)傳輸延時優(yōu)化路由協(xié)議的延時優(yōu)化策略，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，使用改變船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)包路徑的方式，合理降低船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)包排隊延時。具體的優(yōu)化步驟可歸結(jié)如下：

步驟1數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點排隊延時求解。用TU標(biāo)記排隊延時，則其求解過程可描述為：

在函數(shù)值是1 狀況下，代表Hx不再適合對數(shù)據(jù)執(zhí)行有效的接收操作；在函數(shù)值是0 狀況下，代表Hx適合對數(shù)據(jù)執(zhí)行有效的接收操作。為方便起見，根據(jù)上述描述，對該函數(shù)執(zhí)行合理的flag標(biāo)志位設(shè)置操作，若節(jié)點不能在執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收操作，需將數(shù)據(jù)包以合理方式返還給發(fā)送節(jié)點，有flag=1，反之flag=0。

步驟3根據(jù)步驟2 中所獲flag值，判斷是否執(zhí)行路徑更改操作，若是，完成步驟4 所述操作，否則轉(zhuǎn)向步驟5。

步驟4根據(jù)路由表選擇合適節(jié)點當(dāng)作下跳節(jié)點。

步驟5發(fā)送節(jié)點向已經(jīng)選擇完畢的下跳節(jié)點實施有效的數(shù)據(jù)傳輸。

2 實驗與分析

以某大型散貨船的電機設(shè)備為實驗對象，應(yīng)用本文系統(tǒng)對其實施合理有效的機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，驗證本文系統(tǒng)在船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集工作方面的優(yōu)勢。該船的各項參數(shù)如表1 所示，船用電機主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表 1 船舶參數(shù)Tab. 1 Vessel parameters

表 2 船用電機主要技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Main technical parameters of marine motor

圖4 與圖5 為應(yīng)用本文系統(tǒng)實時采集到的電機工作電壓信號與振動信號。可以看出，應(yīng)用本文系統(tǒng)可以實現(xiàn)船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集，并且數(shù)據(jù)采集效果較好，采集到的信號中無噪聲干擾因素存在，可為實際船舶機械設(shè)備管理提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支撐。

圖 4 船用電機電壓信號Fig. 4 Marine motor voltage signal

圖 5 船用電機振動信號Fig. 5 Vibration signal of marine motor

為進(jìn)一步驗證本文系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)勢，繪制應(yīng)用本文系統(tǒng)對采集到的船用電機電壓信號與振動信號實施合理數(shù)據(jù)傳輸獲得的數(shù)據(jù)傳輸效果圖，如圖6 所示。

圖 6 數(shù)據(jù)傳輸效果Fig. 6 Data transmission effect

分析可知，應(yīng)用本文系統(tǒng)對電機工作電壓信號與振動信號實施合理傳輸，即使在數(shù)據(jù)量較大的情況下，傳輸2 種信號所產(chǎn)生的系統(tǒng)延時也非常低。表明本文系統(tǒng)在機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸方面優(yōu)勢顯著，可更好地滿足實際工作需要。

3 結(jié) 語

為了解決當(dāng)前船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集過程中存在的一些不足，設(shè)計了基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的船舶機械設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集效果好，而且減少了系統(tǒng)延時，系統(tǒng)的工作效率高，具有較高的實際應(yīng)用價值。