船用多功能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

萬 滔

(長江航道局，湖北 武漢 430010)

船用多功能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

萬 滔

(長江航道局，湖北 武漢 430010)

針對(duì)長江航道局?jǐn)?shù)字機(jī)務(wù)的改造需求，提出并設(shè)計(jì)了一種船用多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由多個(gè)艙室基站以及多種無線功能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其不僅可以無線采集船舶設(shè)備的狀態(tài)信息，而且可以完成船舶人員的動(dòng)態(tài)定位監(jiān)測(cè)。各個(gè)艙室基站之間通過RS485通信總線實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)，克服了船體金屬結(jié)構(gòu)對(duì)無線信號(hào)的屏蔽效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)多功能船舶傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在相關(guān)航道維護(hù)船舶上推廣應(yīng)用。

船舶；數(shù)字機(jī)務(wù)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；自動(dòng)監(jiān)測(cè)；設(shè)備監(jiān)測(cè)；人員監(jiān)測(cè)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念一經(jīng)提出，立即得到了廣大研究人員的充分關(guān)注，并且在很多行業(yè)得到了應(yīng)用[1]。但是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用極少，主要原因是絕大多數(shù)船舶均為金屬結(jié)構(gòu)，其對(duì)于無線信號(hào)具有屏蔽效應(yīng)，同時(shí)，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等船載設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾，因此，關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在船舶領(lǐng)域的研究報(bào)道相當(dāng)有限。但是，船舶無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有效降低船舶電纜敷設(shè)的工作量，極大提高船舶傳感器布設(shè)的靈活性，非常適用于船舶的信息化改造。

長江航道局近年致力于數(shù)字航道建設(shè)，數(shù)字機(jī)務(wù)作為數(shù)字航道建設(shè)的重要組成部分，其主要包括所屬航道維護(hù)船舶(航標(biāo)船、測(cè)量船、巡檢快艇)以及航道疏浚船舶的機(jī)務(wù)信息化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化等。通常情況下，機(jī)務(wù)信息化的數(shù)據(jù)來源主要為船端所配備的機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng)。

目前長江航道局絕大部分在役船舶所配備機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)較少，有的船舶還沒有配置機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng)，因此給數(shù)字機(jī)務(wù)項(xiàng)目的實(shí)施帶來了困難，面臨著大量的船舶機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng)改造需求。同時(shí)，長江航道局所屬船舶對(duì)船舶人員的管理多采用靜態(tài)模式，缺乏動(dòng)態(tài)管理手段。

為減少改造工程所涉電纜的敷設(shè)量以及提高傳感器布設(shè)的靈活性，同時(shí)為加強(qiáng)對(duì)船舶人員的動(dòng)態(tài)管理，本文設(shè)計(jì)了一款多功能船用傳感器網(wǎng)絡(luò)，既可以和現(xiàn)有的船舶機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng)相結(jié)合，完成船舶設(shè)備信息的實(shí)時(shí)采集，又可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)船舶人員定位信息。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)總體架構(gòu)包括若干艙室基站，機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng)上位機(jī)和人員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)等，它們之間采用RS485總線和MODBUS通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)。每個(gè)艙室基站相互獨(dú)立，分配唯一的MODBUS從站地址。艙室基站可以自由布置于船舶任何艙室，如駕駛室、集控室、機(jī)艙、會(huì)議室、餐廳、船員艙等，同時(shí)艙室基站的數(shù)量可以隨著船舶改造需求動(dòng)態(tài)設(shè)置。機(jī)艙報(bào)警上位機(jī)作為MODBUS主站，定時(shí)發(fā)送MODBUS查詢命令，采集每個(gè)艙室基站的設(shè)備信息和人員定位信息。人員監(jiān)測(cè)上位機(jī)則負(fù)責(zé)監(jiān)聽RS485通信總線的通信信息，獲取人員定位信息。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

每個(gè)艙室基站均支持2種類型的節(jié)點(diǎn)，分別是定位節(jié)點(diǎn)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)。艙室的節(jié)點(diǎn)分布如圖2所示。其中，定位節(jié)點(diǎn)用于船舶人員定位信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，由船舶人員攜帶；設(shè)備節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息和報(bào)警數(shù)據(jù)的采集，支持模擬量、數(shù)字量以及開關(guān)量等。

圖2 艙室節(jié)點(diǎn)分布圖

1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)類似，如圖3所示。其中，主控芯片均采用Atmel公司的AVR RISC結(jié)構(gòu)8位單片機(jī)-ATmega128 L，其最高速度可以達(dá)到8 MHz。射頻芯片均采用Chipcon/TI公司推出的射頻器件-CC2420，其符合2.4 GHz、IEEE 802.15.4通信標(biāo)準(zhǔn)，支持的數(shù)據(jù)傳輸率能夠達(dá)到250 kbps，支持多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。通信天線則選用2.4 GHz工業(yè)級(jí)高頻橡膠天線。同時(shí)，所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)均擴(kuò)展了I2C總線接口、CMOS電平接口、ISP、JTAG接口、蜂鳴器以及LED燈。

對(duì)于設(shè)備節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展了相應(yīng)的模擬量和開關(guān)量接口，用于設(shè)備傳感器模擬量信號(hào)以及開關(guān)量信號(hào)的采集。為保證設(shè)備節(jié)點(diǎn)免受外部信號(hào)的干擾，所涉模擬量信號(hào)均采用電磁隔離模擬芯片采集，所涉開關(guān)量信號(hào)均采用光電隔離芯片采集。

對(duì)于艙室基站，擴(kuò)展了RS485通信接口，用于與機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng)上位機(jī)以及人員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

改造用的設(shè)備節(jié)點(diǎn)所用電源均取自船用24 V直流電源，配有相應(yīng)的DC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊，定位節(jié)點(diǎn)則采用2節(jié)5號(hào)電池供電。同時(shí)，在節(jié)點(diǎn)供電模塊中加入自鎖開關(guān)，以方便接通和切斷節(jié)點(diǎn)供電電源。

1.3 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

基于美國加州大學(xué)伯克利分校的開源傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)TinyOS2.1.2版本完成了改造項(xiàng)目所涉的設(shè)備節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)以及艙室基站的軟件設(shè)計(jì)工作，主要包括TinyOS操作系統(tǒng)移植、設(shè)備信息采集驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)以及應(yīng)用程序設(shè)計(jì)等工作。

其中，設(shè)備信息采集驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)主要是面向設(shè)備節(jié)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)架構(gòu)為3層結(jié)構(gòu)，分別為硬件接口層(HIL)、硬件適配層(HAL)以及硬件表示層(HPL)。HPL層涉及底層硬件，目前主要支持8路4～20 ma模擬量采集、8路開關(guān)量采集以及數(shù)字溫度傳感器18b20。

設(shè)備節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)以及艙室基站所對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序功能差別較大，但是均由頂層配件、核心處理模塊和其他組件等組成。每個(gè)應(yīng)用程序僅對(duì)應(yīng)一個(gè)頂層模塊，核心處理模塊則與頂層模塊相對(duì)應(yīng)，并根據(jù)程序功能要求選擇組件。

艙室基站支持無線信號(hào)收發(fā)以及與上位機(jī)之間RS485總線通信。它可以接收設(shè)備節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)信息，如傳感類型消息、RSSI類型消息等，同時(shí)可以轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)艙報(bào)警上位機(jī)通過RS485總線向設(shè)備節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)所發(fā)送命令消息，如系統(tǒng)配置消息和節(jié)點(diǎn)呼叫消息等。

定位節(jié)點(diǎn)的主要功能為周期性獲取和發(fā)送RSSI值，系統(tǒng)依據(jù)RSSI值獲取節(jié)點(diǎn)的定位信息。定位所用的RSSI消息結(jié)構(gòu)為：

typedef nx_struct position_msg{

nx_uint16_t xuhao_position;

nx_uint16_t id;

nx_uint16_t rssi;

} rssi_ msg_t;

其中，xuhao_position表示定位節(jié)點(diǎn)RSSI消息包的序號(hào)，id表示定位節(jié)點(diǎn)序號(hào)。

設(shè)備節(jié)點(diǎn)的主要功能為周期性采集和發(fā)送設(shè)備傳感器模擬量和開關(guān)量消息，消息結(jié)構(gòu)為：

typedef nx_struct device_msg {

nx_uint16_t xuhao_device;

nx_uint16_t error;

nx_uint16_t data;

} radio_sense_msg_t;其中，xuhao_device表示設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息包的序號(hào)，error表示傳感器數(shù)據(jù)是否有效，data表示設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)。

2 部署與測(cè)試

將所設(shè)計(jì)船用多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)部署于需要改造的長江航道局南京航道局所屬某40 m級(jí)航標(biāo)船。

機(jī)艙報(bào)警上位機(jī)位于機(jī)艙集控室，人員監(jiān)控主機(jī)位于駕駛控制臺(tái)；分別在船舶機(jī)艙、會(huì)議室、駕控臺(tái)、船舶左舷、右舷等6個(gè)位置部署艙室基站，基站與上位機(jī)之間通過屏蔽穿艙電纜互聯(lián)；在船舶機(jī)艙部署主機(jī)設(shè)備節(jié)點(diǎn)、油位設(shè)備節(jié)點(diǎn)、配電設(shè)備節(jié)點(diǎn)、船舶吃水設(shè)備節(jié)點(diǎn)等，在舵機(jī)艙部署舵角設(shè)備節(jié)點(diǎn)。主機(jī)設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要采集船舶左、右主機(jī)的轉(zhuǎn)速、冷卻水水溫以及潤滑油壓力等，油位設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要采集船舶左、右油艙的油位等，配電設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要采集電站電壓、電站電流、岸電電壓、岸電電流等，船舶吃水設(shè)備則主要采集船舶吃水深度；定位節(jié)點(diǎn)3個(gè)，分別由實(shí)驗(yàn)人員隨身攜帶。

分別在船舶主機(jī)、發(fā)電機(jī)等主要設(shè)備開啟和停止?fàn)顟B(tài)，船舶航行狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，所設(shè)計(jì)多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)均可以有效完成設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的采集以及人員有效定位。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了丟包率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明在主要設(shè)備開啟狀態(tài)下，船舶機(jī)艙位置的節(jié)點(diǎn)通信丟包率達(dá)到0.08%，較停止?fàn)顟B(tài)的丟包率0.02%稍有增加，但是不影響系統(tǒng)使用。船舶是否處于航行狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)丟包率沒有影響。

3 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)船用多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括艙室基站、設(shè)備節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)等，設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以完成船舶設(shè)備信息的實(shí)時(shí)采集，并將信息傳輸給船舶機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng)，同時(shí)通過人員監(jiān)測(cè)上位機(jī)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)船舶人員定位信息。在相關(guān)航道維護(hù)船舶上系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果良好，為長江航道局船舶信息化改造提供了有益的嘗試。

[1] 孫利民. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2005.

2014-12-20

萬滔(1967—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榇肮こ碳捌涔芾怼?/p>

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