船艙內(nèi)異常壓力警戒監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

戴立坤

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211170)

船艙內(nèi)異常壓力警戒監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

戴立坤

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211170)

傳統(tǒng)方法一般基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)船艙內(nèi)的異常壓力警戎監(jiān)控，且主要通過(guò)增加數(shù)據(jù)分析模塊來(lái)縮短監(jiān)控時(shí)間，卻忽略了監(jiān)控領(lǐng)域?qū)ΡO(jiān)控性能的影響，存在監(jiān)控不準(zhǔn)確、效率低及性能差的問(wèn)題。提出一種船艙異常壓力警戒監(jiān)控的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。對(duì)硬件部分的警戒模塊、接口模塊、電源模塊、控制模塊、傳輸模塊、采集模塊進(jìn)行分析，通過(guò)采集模塊對(duì)船艙異常壓力警戒監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用傳輸模塊將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，借助接口模塊對(duì)各模塊進(jìn)行接口設(shè)置，電源模塊提供電源，警戒模塊主要是對(duì)船艙內(nèi)異常壓力進(jìn)行警戒，并設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)軟件部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)其監(jiān)控所需時(shí)間更短、準(zhǔn)確度更高，具有更好的性能。

船艙；異常壓力；警戒；監(jiān)控；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)；設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著地方經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，漁業(yè)迎來(lái)了前所未有的商機(jī)，以漁業(yè)為生的人群大量增加，在出海打漁時(shí)，除了有用的海鮮類之外，船艙內(nèi)異常壓力往往無(wú)法避免，異常壓力直接影響漁船安全，同時(shí)，也增加了漁民的安全風(fēng)險(xiǎn)，降低了安全性能，需要實(shí)時(shí)對(duì)船艙內(nèi)的異常壓力進(jìn)行警戒[1-3]。為此，船艙內(nèi)異常壓力警戒監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)，受到了廣泛的關(guān)注，出現(xiàn)了很多好的方法[4-5]。

文獻(xiàn)[6]提出基于移動(dòng)終端的監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)了監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，該平臺(tái)可有效的對(duì)船艙內(nèi)異常壓力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是存在監(jiān)測(cè)效率低的問(wèn)題；文獻(xiàn)[7]提出基于 WEBGIS 的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過(guò)在數(shù)據(jù)分析模塊添加 TMS320DM642 芯片，提高數(shù)據(jù)分析能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)船艙異常壓力的實(shí)時(shí)警戒監(jiān)控，但是存在平臺(tái)監(jiān)測(cè)性能差的問(wèn)題；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感器的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)船艙異常壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用無(wú)線傳感器將數(shù)據(jù)采集模塊及分析模塊進(jìn)行連接，增加物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的監(jiān)控性能，但是存在平臺(tái)數(shù)據(jù)采集時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題；文獻(xiàn)[9]提出基于 MQTT 的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)介紹服務(wù)器通信協(xié)議MQTT 的基本原理，基于該協(xié)議設(shè)計(jì)一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過(guò)架設(shè)代理服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)移動(dòng) APP 和前端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的信息采集與分析，且該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和并發(fā)性，但是存在監(jiān)控誤差大的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種船艙異常壓力警戒監(jiān)控的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。對(duì)硬件部分的警戒模塊、接口模塊、電源模塊、控制模塊、傳輸模塊、采集模塊進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了平臺(tái)軟件部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)其監(jiān)控所需時(shí)間更短、準(zhǔn)確度更高，具有更好的性能。

1 船艙內(nèi)異常壓力警戒監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

1.1 電源模塊

船艙內(nèi)異常壓力警戒監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)電源由+ 24 V 的蓄電池提供，模擬信號(hào)調(diào)理電路電源為 + 12 V。因?yàn)槭切铍姵毓╇?，使得電壓不穩(wěn)，不能直接接到控制器上使用，需要設(shè)計(jì)將電壓調(diào)整為穩(wěn)壓電源。由于船艙內(nèi)異常壓力警戒監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)使用環(huán)境干擾較大，DC/DC 模塊電網(wǎng)體積小，性能好，使用方便，能夠省卻電源設(shè)計(jì)、調(diào)試方面的麻煩，增加平臺(tái)的可靠性。選擇使用 DLM05-24S05 型和 DLM3/5-24D12 型寬電壓輸入隔離電源模塊，使電壓精度達(dá)到 0.01，隔離電阻為 500 MΩ，隔離電壓為 500 VDC。供電電源電路如圖 1 所示。

由圖 1 可以看出，輸入到模塊的 + 24 V 電源通過(guò)DLM3/5-24S05 后輸出 5 V 電壓，給 + 5 V 平臺(tái)供電。經(jīng)過(guò) DLM3/5-24D12 后輸出 12 V 電壓，給出 + 12 V 模塊供電。

1.2 接口電路

Header 3X2 是由 Freescale 半導(dǎo)體公司壓法的一種單線調(diào)試方式芯片，是單片機(jī)普遍使用的調(diào)試方式之一?？赏ㄟ^(guò) BDM 調(diào)試器對(duì)目標(biāo)板 MCU 的 FLASH 進(jìn)行寫入，擦除等操作用。BDM 硬件調(diào)試插頭的設(shè)計(jì)也較為簡(jiǎn)單，主要是要滿足傳輸時(shí)序關(guān)系與電平轉(zhuǎn)換需要。接口電路模塊如圖 2 所示。

接口電路采用 MC9S08DZ60 調(diào)試器，其 BKGD 和RESET 信號(hào)分別與電源模塊的第 33 管腳與第 8 管腳相連，在進(jìn)行船艙異常壓力警戒數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，采用11111 極開路驅(qū)動(dòng)的方式，平時(shí)使用上拉電阻維持高電平。

1.3 傳輸電路

傳輸電路主要由 CAN 控制器、CAN 驅(qū)動(dòng)器和附件組成。因?yàn)?MC9S08DZ60 單片機(jī)構(gòu)建了 CAN 總線的控制器，因此無(wú)需考慮 CAN 總線控制器的設(shè)計(jì)，僅考慮 CAN 總線接口電路設(shè)計(jì)即可，其性能達(dá)到 TTL電平和 CAN 總線電平轉(zhuǎn)換的目的。傳輸電路模塊如圖 3所示。

CAN 總線驅(qū)動(dòng)器使用高速收發(fā)器 TJA1040。TJA1040 是總線供應(yīng)差動(dòng)的數(shù)據(jù)輸送功能和差動(dòng)的數(shù)據(jù)接收功能，增強(qiáng)了總線的數(shù)據(jù)傳輸能力，此芯片需要在總線兩引線間接入一個(gè) 120 Ω 電阻來(lái)減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生的能耗。為了增強(qiáng) CAN 總線的傳輸時(shí)的抗干擾能力，使用 MC9S08DZ60 的 TxCAN 和 RxCAN 來(lái)增加 CAN 總線的傳輸速率，使傳輸速率達(dá)到 1 Mbps，增強(qiáng)總線的穩(wěn)定性。尤其是有 2 個(gè)電源 VCC 和 VDD的必須完全隔離，否則數(shù)據(jù)傳輸能耗增加，效率降低。

1.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由 MCU、外部時(shí)鐘、復(fù)位電路、電源模塊、接口電路、CAN 總線收發(fā)器、數(shù)據(jù)調(diào)理電路組成。能夠采集 24 通道傳輸數(shù)據(jù)值，具有 12位分辨率，2.5 μs 轉(zhuǎn)換時(shí)間，有自動(dòng)采集功能。

1.5 控制模塊

船艙異常壓力警戒監(jiān)控中心的有線控制是經(jīng)過(guò) Internet 把數(shù)據(jù)輸送到區(qū)域管制中心或管制終端的，監(jiān)控范圍控制中心配置有共用的計(jì)算機(jī)，能夠經(jīng)過(guò)網(wǎng)卡和控制中心 PC 機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，而控制終端的計(jì)算機(jī)是 1 個(gè) C8051 單片機(jī)，無(wú)直接和以太網(wǎng)連接的接口。必須要設(shè)計(jì) 1 個(gè)以太網(wǎng)控制模塊，達(dá)到控制終端和上級(jí)控制中心網(wǎng)絡(luò)通訊的目的。使用 Silicon Lab 公司研發(fā)的 CP2200 以太網(wǎng)控制芯片和 MCU 配合達(dá)到以太網(wǎng)通信的目的。以太網(wǎng)控制模塊如圖 5 所示。

CP2200 以太網(wǎng)控制芯片包含 1 個(gè)符合 IEEE802.3規(guī)范的以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器（MAC）和 1 個(gè) 10BASE-T 物理層接口（PHY），采用 48 針 TQFP 格式封裝。具有全/半雙工通信模式。CP2200 內(nèi)的 Sk-FLASH 存儲(chǔ)器，具有 11 個(gè) I/O 引腳以上的 MCU 或主處理器供應(yīng)以太網(wǎng)通信性能。8 位并行總線接口支持Intel 及 Motorola 總線模式，具備 I/O 引腳復(fù)用及非復(fù)用兩種尋址方法，在非復(fù)用尋址方法下，數(shù)據(jù)輸送速率能達(dá)到 30 Mbps。此控制模塊的主要新更能是對(duì)全體船艙異常壓力警戒監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行控制，提高平臺(tái)穩(wěn)定性，增加平臺(tái)性能。

1.6 警戒模塊電路

警戒模塊由FPGA通過(guò)控制模塊控制，警戒模塊電路如圖 6 所示。

當(dāng) FPGA 接收到控制中心發(fā)出的命令后，經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻碼同步、載波同步后，根據(jù)命令內(nèi)容，發(fā)出警戒信息。當(dāng)收到的信息為船艙異常壓力警戒信息，則三相開關(guān)關(guān)閉，兩相開關(guān)開啟，警戒信息發(fā)出；反之，正常情況下，三相開關(guān)開啟，兩相開關(guān)關(guān)閉，無(wú)警戒信息發(fā)出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的船艙異常壓力警戒監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)性能，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：雙核 P4 1.6 G 的 CPU，內(nèi)存為 2 G 以上，Windows2000 操作系統(tǒng)上進(jìn)行，信息傳輸速率為 50 kbps，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自 mysq2000，實(shí)驗(yàn)采用移動(dòng)終端監(jiān)控平臺(tái)、MQTT 協(xié)議監(jiān)控平臺(tái)與本文設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)用簡(jiǎn)易平臺(tái)如圖 6 所示。圖中，1 為主監(jiān)控中心；2 為傳輸模塊；3為電源；4 為警報(bào)模塊；5 為信息采集模塊；6 為接口模塊；7 為開關(guān)。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)平臺(tái)的有效性，在測(cè)試范圍一定的情況下，分別采用移動(dòng)終端監(jiān)控平臺(tái)、MQTT 協(xié)議監(jiān)控平臺(tái)為對(duì)比，進(jìn)行監(jiān)控所需時(shí)間方面的對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)比結(jié)果如圖 8 所示。

由圖 8 可知，采用移動(dòng)終端監(jiān)控平臺(tái)時(shí)，其所需時(shí)間約為 5.9 s，但隨著監(jiān)控范圍的增加，所需時(shí)間也隨著增加，不適合大范圍的使用；采用 MQTT 協(xié)議監(jiān)控平臺(tái)時(shí)，其所需時(shí)間約為 7 s，隨著監(jiān)控范圍的增加，而存在大量的波動(dòng)，穩(wěn)定性較差；采用本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)時(shí)，其所需時(shí)間約為 4.5 s，且隨著監(jiān)控區(qū)域的增加，其所需時(shí)間逐漸下降，相比其余 2 個(gè)平臺(tái)，其所需時(shí)間分別降低了約 1.1 s 和 2.5 s，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)平臺(tái)的有效性，在時(shí)間一定的情況下，進(jìn)行監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)控準(zhǔn)確度方面的對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)比結(jié)果如圖 9 所示。

由圖 9 可知，采用移動(dòng)終端監(jiān)控平臺(tái)時(shí)，其監(jiān)控準(zhǔn)確度約為 50.5%，且隨著監(jiān)控時(shí)間的增加，監(jiān)控準(zhǔn)確度下降，不適合大范圍使用；采用 MQTT 協(xié)議監(jiān)控平臺(tái)時(shí)，其監(jiān)控準(zhǔn)確度約為 37.2%，且隨著監(jiān)控時(shí)間的增加，出現(xiàn)大量的波動(dòng)穩(wěn)定性能差；采用本文設(shè)計(jì)平臺(tái)時(shí)，其監(jiān)控準(zhǔn)確度約為 74.3%，且隨著監(jiān)控時(shí)間的增加而增加，相比移動(dòng)終端監(jiān)控平臺(tái)、MQTT 協(xié)議監(jiān)控平臺(tái)，其監(jiān)控準(zhǔn)確度分別提高了約 23.8%、37.1%，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的船艙內(nèi)異常壓力警戒監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，一直存在監(jiān)控不準(zhǔn)確的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新的船艙內(nèi)異常壓力警戒監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，對(duì)組成的硬件部分進(jìn)行了詳細(xì)分析，并設(shè)計(jì)了平臺(tái)軟件。經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析可知，采用本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)，相比傳統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)控準(zhǔn)確度更高，性能更好。

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Abnormal pressure inside the cabin alarm monitoring platform design and implementation

DAI Li-kun
(Department of Information and Engineering, Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170, China)

Tradition method based on Internet of things technology to monitor the abnormal pressure warning Dijon, cabin and mainly by increasing the monitoring data analysis module to shorten the time, but ignore the monitoring field affect the performance of monitoring, monitoring is not accurate, low efficiency and poor performance.Put forward a kind of abnormal pressure cabin alarm monitoring platform for the wireless network.The hardware part of the alarm module, interface module, power module, control module and transmission module, acquisition module are analyzed, through the acquisition module for the cabin abnormal pressure monitoring data are collected, and use will be transfer the data transmission module, with the help of interface module, the module interface Settings, power supply module provides power to alert module is mainly to alert of abnormal pressure in the cabin, and designed the wireless software platform.The experimental results show that the designed monitoring wireless network platform, the monitoring of the required time is shorter, higher accuracy, has better performance.

cabin；abnormal pressure；alert；monitoring；wireless network platform；design

U675.7

：A

1672-7619(2017)01-0150-04doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.031

2016-10-27；

: 2016-11-19

戴立坤(1971-)，男，副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。