基于ZigBee電力推進船舶電氣設備溫度監(jiān)測系統(tǒng)

洪茜

（渤海船舶職業(yè)學院，遼寧葫蘆島 125005）

0 引言

電力推進船舶具有推進效率高、操縱性能強、安全可靠等優(yōu)點[1]。但電力推進船舶的變壓器、變頻器、高壓配電板等電氣設備大多工作在高壓、大電流的環(huán)境下，加之船舶工作環(huán)境復雜，電氣設備的連接很容易由于灰塵等原因出現(xiàn)接觸電阻過大進而引起發(fā)熱的現(xiàn)象。若不及時發(fā)現(xiàn)過熱部位并進行處理，最終可能導致突發(fā)斷電甚至發(fā)生火災。然而，若用電纜直接進行溫度監(jiān)測既不能實現(xiàn)高壓和監(jiān)測系統(tǒng)的隔離又難于布線。因此，本文選用 ZigBee無線網(wǎng)絡技術實現(xiàn)電力推進船舶的電氣設備溫度監(jiān)測。該系統(tǒng)利用高精度的數(shù)字溫度傳感器，通過無線網(wǎng)絡將各設備監(jiān)測點的溫度發(fā)送到監(jiān)控計算機。這樣既實現(xiàn)了高精度的測溫，又實現(xiàn)了高壓和低壓的隔離。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是一種應用于短距離范圍內、低數(shù)據(jù)傳輸速率下的各種電子設備之間的無線通信技術，擁有一套完整的協(xié)議層次結構，由IEEE802.15.4和ZigBee聯(lián)盟共同制定完成[2]。工作頻段有868 MHz，915 MHz，2.4 GHz，可以應用于不同的場合，主要適合于自動控制和遠程控制領域。ZigBee網(wǎng)絡包括主節(jié)點、路由節(jié)點、子節(jié)點。主節(jié)點連接上位機，用于建立網(wǎng)絡，處理各子節(jié)點及路由節(jié)點發(fā)送的信息，相當于有線網(wǎng)絡中的服務器；路由節(jié)點的作用是擴展網(wǎng)絡深度與廣度；子節(jié)點與傳感器連接，作用是采集信號并傳輸，主要散布在現(xiàn)場中。

2 系統(tǒng)總體結構設計

溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要負責將電力推進船舶主要電氣設備的溫度采集至現(xiàn)場數(shù)據(jù)節(jié)點，然后現(xiàn)場數(shù)據(jù)節(jié)點通過無線將數(shù)據(jù)發(fā)送到主節(jié)點，主節(jié)點將數(shù)據(jù)送到上位機顯示。溫度監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由溫度傳感器節(jié)點、ZigBee終端設備、ZigBee路由設備、ZigBee協(xié)調器、RS485通信單元和上位機監(jiān)測系統(tǒng)組成。其中路由器和RS485通信單元只負責數(shù)據(jù)的傳輸。因此，系統(tǒng)整體上可分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)匯聚層、數(shù)據(jù)監(jiān)控層三大部分。

數(shù)據(jù)采集層主要是由布設在監(jiān)測點的數(shù)字溫度傳感器、ZigBee終端設備、以及電源模塊構成，其主要功能是完成對監(jiān)測點溫度的采集，并對采集到的溫度數(shù)據(jù)在CPU中進行判斷，若符合發(fā)送的條件，采集層就會發(fā)送該溫度數(shù)據(jù)。反之，則立刻進入休眠狀態(tài)以實現(xiàn)節(jié)能，等待下次采集時間的到來。

圖1 溫度測量系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)匯聚層由ZigBee的協(xié)調器組成，主要負責將數(shù)據(jù)采集層直接送來或者通過路由器路由來的數(shù)據(jù)暫時保存，等待上位機進行訪問。上位機成功訪問數(shù)據(jù)后，該數(shù)據(jù)將在數(shù)據(jù)匯聚單元中清除。另外，數(shù)據(jù)匯聚層還負責對其所管轄的ZigBee網(wǎng)絡進行維護，接收上位機的命令信息并更改網(wǎng)絡的參數(shù)。數(shù)據(jù)監(jiān)控層的主要功能是將數(shù)據(jù)匯聚層送來的數(shù)據(jù)進行顯示和存儲。同時，還提供參數(shù)設置接口，可對整個系統(tǒng)進行參數(shù)設置。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 ZigBee主節(jié)點的硬件設計

ZigBee主節(jié)點又稱為協(xié)調器，是數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)匯聚者，也是上位機發(fā)送命令的傳遞者。其主要功能是負責其所在區(qū)域內無線網(wǎng)絡的組建和維護[3]。本設計選擇 CC2430芯片作為主節(jié)點的 CPU，該芯片集成了加強型的 8051內核以及符合 IEEE802.15.4規(guī)范的 2.4 GHz的無線收發(fā)器、可選32/64/128 kB的Flash存儲單元、 8 kB的 RAM、模擬/數(shù)字轉換器、看門狗定時器、上掉電檢測電路以及21個可編程 I/O引腳。TI公司為CC2430芯片提供完全免費的協(xié)議棧，使得程序的設計更加方便。本設計為了增加主節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲和處理功能，選用帶 128 kB Flash的CC2430-F128芯片。主節(jié)點硬件結構框圖如圖 2所示。

圖2 主節(jié)點硬件結構圖

CC2430的晶振有兩個：一個是32 M晶振，在正常收發(fā)數(shù)據(jù)時使用；一個是32.768 k的晶振，在休眠模式下使用。RS485通信模塊作為上位機和ZigBee主節(jié)點的連接紐帶。

3.2 ZigBee從節(jié)點的硬件設計

ZigBee從節(jié)點主要是由安裝在監(jiān)測點的數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）、ZigBee終端（CC2430）、電源模塊、晶振電路和無線射頻天線構成，其主要功能是完成對監(jiān)測點的溫度采集，CC2430將采集到的溫度信號分析處理之后通過天線發(fā)送到主節(jié)點。溫度采集子節(jié)點硬件結構框圖如圖3所示。

溫度采集子節(jié)點采用 DS18B20傳感器，DS18B20支持單總線接口[4]（即一條數(shù)據(jù)線上可以接多個設備），測量溫度范圍為-55- 125℃，測量的溫度直接以數(shù)字量的形式通過單總線發(fā)送到CPU，具有抗干擾能力強、體積小、精度高、能耗低等優(yōu)點。

CC2430芯片所需要的電源供電范圍是2～3.6 V，采用電池供電。但DS18B20供電電壓是5 V，在3 V供電的狀態(tài)下誤差大，為盡可能的提高傳感器的轉換精度，系統(tǒng)采用升壓電路給DS18B20供電。以保證傳感器的轉換精度。晶振電路和無線射頻天線的硬件結構與主節(jié)點基本相同。

4 軟件設計

由于 ZigBee的協(xié)議棧已經(jīng)將物理層、MAC層、網(wǎng)絡層和應用層的部分程序編寫完畢，因此，只需要按照協(xié)議棧的工作方式編寫相關的應用程序。

4.1 數(shù)據(jù)匯聚主節(jié)點軟件設計

數(shù)據(jù)匯聚主節(jié)點的軟件主要是收集傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)和傳送上位機發(fā)來的命令。主節(jié)點在上電后，首先是按照ZigBee協(xié)議棧的工作流程，組建ZigBee網(wǎng)絡。網(wǎng)絡組建完成后，則執(zhí)行應用程序。數(shù)據(jù)匯聚主節(jié)點軟件流程圖如圖4所示。

應用程序首先進行初始化和相關通信參數(shù)的設置。然后檢測主節(jié)點的供電方式，若是備用電源，向管理人員報警；否則正常執(zhí)行程序。當主節(jié)點收到數(shù)據(jù)時，先判斷該數(shù)據(jù)來自串口（上位機）還是來自傳感器節(jié)點。若是來自串口，則進入命令處理子程序對數(shù)據(jù)進行分析和處理；若來自傳感器節(jié)點，則進入溫度數(shù)據(jù)處理子程序進行處理，更新溫度存儲區(qū)域的數(shù)據(jù)。處理完之后，程序回到等待接收數(shù)據(jù)和檢測電源供電狀態(tài)位置，不斷地進行檢測和等待，直到下一個數(shù)據(jù)處理的過程。

4.2 數(shù)據(jù)采集子節(jié)點軟件設計

數(shù)據(jù)采集子節(jié)點軟件流程圖如圖5所示。數(shù)據(jù)采集子節(jié)點主要負責將監(jiān)測點的溫度采集至CPU，然后在溫度變化率超過一定范圍時，將其無線傳送至主節(jié)點。數(shù)據(jù)采集子節(jié)點上電后，首先搜索 ZigBee網(wǎng)絡，若搜索到網(wǎng)絡并成功加入后，就開始執(zhí)行應用程序。

應用程序首先進行數(shù)據(jù)采集子節(jié)點的初始化、清除休眠的標志，傳感器DS18B20開始采集溫度。為了避免較大誤差，溫度采集將進行N次（N值根據(jù)環(huán)境確定），最后取平均值。然后和上次溫度的平均值進行比較，若比較的結果大于設定的值，則本次溫度數(shù)據(jù)將發(fā)送給主節(jié)點；否則不發(fā)送，并令傳感器節(jié)點進入休眠狀態(tài)，以實現(xiàn)最大限度的節(jié)能。在休眠時間到后，重復上面的過程。另外，在采集溫度時，通過溫度傳感器的復位或地址匹配來判斷是否發(fā)生故障。

4.3 監(jiān)控軟件及監(jiān)控界面設計

上位機的監(jiān)測界面是利用NI的LabVIEW測控軟件開發(fā)的[5]。利用該軟件開發(fā)的界面具有簡潔、美觀的特點，且能夠直觀的將各個監(jiān)測點的信息顯示在管理人員眼前。在LabVIEW上設計的上位機監(jiān)測界面是利用 LabVIEW 中的ACTIVE控件來調用MSCOMM控件實現(xiàn)上位機與主節(jié)點間的通信的。在RS485總線上的主節(jié)點，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機顯示處理。船舶高壓配電板監(jiān)測界面如圖6所示。

5 結束語

本設計針對電力推進船舶的實際情況，以船舶中各主要電氣設備的溫度監(jiān)測為研究對象。提出了一種基于ZigBee技術的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其特點是在不便于布線的場合可以實現(xiàn)溫度的定量測量以及實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的無線低功耗傳輸，大大提高了船舶電氣設備的運行可靠性。但是，電氣設備的溫度監(jiān)測只是船舶監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，要真正將 ZigBee無線網(wǎng)絡技術全面應用于船上的各種設備，全面提升船舶的自動化程度，還需要設計并研制更多的適用于船舶的傳感器節(jié)點。

[1] 栗勝利. 船舶電力推進技術的發(fā)展[J]. 船電技術.2009, 29 （4）: 46- 49.

[2] 趙洪磊,王英龍. 無線傳感器網(wǎng)絡熱點問題的研究[J].信息技術與信息化.2008, （2） :50-52.

[3] 梁光勝, 劉丹娟. 基于 CC2430的ZigBee無線節(jié)點設計[J].電子設計工程.2010, 18（2）: 15-18.

[4] 孫鵬. DS18B20單線多點測溫系統(tǒng)設計[J].電子制作.2010, 3:24-28.

[5] 張桐等. 精通 Labview程序設計[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2008.