船艙溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王伯槐+劉黎

摘 要：一般情況下艦船工作環(huán)境惡劣，為提高艦船內(nèi)信號(hào)采集的高可靠性和連續(xù)不間斷的工作要求，許多測(cè)控裝備常常需要采取措施進(jìn)行數(shù)字化傳輸。為解決船舶艙內(nèi)實(shí)時(shí)溫度測(cè)控問題，文中設(shè)計(jì)了一種溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)信息采集采用冗余設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)架構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)方面提出了可靠性設(shè)計(jì)及措施，解決了艦船用溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)采集的可靠性問題。

關(guān)鍵詞：溫度監(jiān)測(cè)；可靠性；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；數(shù)字化

中圖分類號(hào)：TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）08-00-02

0 引 言

隨著我國(guó)國(guó)力的不斷提升，人們愈加重視各種交通、運(yùn)輸工具等的安全性，對(duì)交通工具中裝備的可靠性、穩(wěn)定性要求更加嚴(yán)格[1]。船舶作為海上有效的運(yùn)輸工具，其安全性、舒適性得到人們的廣泛關(guān)注。為保證乘客和有溫度要求貨物的環(huán)境溫度，需要隨時(shí)了解和監(jiān)控船艙內(nèi)溫度變化情況。艦船內(nèi)溫度監(jiān)控系統(tǒng)也從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從人工監(jiān)控記錄向自動(dòng)化發(fā)展，其智能化程度與準(zhǔn)確度越來越高[2-6]。但因?yàn)轱L(fēng)浪、天氣等客觀原因，一般情況下艦船工作環(huán)境惡劣。為提高艦船內(nèi)信號(hào)采集的高可靠性和連續(xù)不間斷的工作要求，許多測(cè)控裝備常常需要采取措施，并進(jìn)行數(shù)字化傳輸[7]。在此所設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，傳感器負(fù)責(zé)收集各種信息，之后進(jìn)行表決，使數(shù)據(jù)采集在相對(duì)惡劣甚至傳感器部分失效的情況下，數(shù)據(jù)采集仍然可靠有效，實(shí)現(xiàn)對(duì)船艙內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)性和高可靠性監(jiān)控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

船艙溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)單元和主控機(jī)單元組成。主控機(jī)可以采用通用的PC或服務(wù)器以提供更豐富的控制功能并提升可靠性。主控機(jī)采用通信接口與連接在總線上的各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通信，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中分布于各艙的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)送控制命令和參數(shù)配置信息，并接收來自各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息和測(cè)量數(shù)據(jù)，監(jiān)視船艙環(huán)境參數(shù)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)控制單元主要由傳感器、表決器、單元主控制模塊和通信單元組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)控制單元通過參數(shù)傳感器實(shí)時(shí)采集船艙中的主要溫度信息，經(jīng)表決器獲得可靠數(shù)據(jù)，再交由單元主控器處理信號(hào)，由通信單元生成協(xié)議報(bào)文，并經(jīng)由總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控機(jī)，同時(shí)接收主控機(jī)的控制命令和參數(shù)配置信息，并及時(shí)給予反饋。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)采集控制單元通過總線與主控機(jī)相連，對(duì)監(jiān)控對(duì)象實(shí)現(xiàn)信息采集。工業(yè)傳感器有較強(qiáng)的抗干擾能力和可靠性[4]，但由于機(jī)艙環(huán)境極為惡劣，作業(yè)期間維修困難，一旦出現(xiàn)故障很難及時(shí)修復(fù)，所以對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性要求很高，故采取冗余設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集單元將相同功能的傳感器設(shè)計(jì)為3個(gè)，每次對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行表決，一個(gè)設(shè)備有問題不會(huì)影響整體采集結(jié)果。由此可見，冗余保證了系統(tǒng)工作的連續(xù)性、穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)選擇DS18B20作為溫度傳感器，具有可實(shí)現(xiàn)高精度控溫、轉(zhuǎn)換速度快、具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力等特點(diǎn)，該傳感器首先采集周圍環(huán)境的溫度信息，然后把它們存儲(chǔ)在自己的內(nèi)存中。由單元主控器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和采集點(diǎn)顯示等。DS18B20將溫度采集后轉(zhuǎn)換成輸出的16位二進(jìn)制數(shù)，存儲(chǔ)在DS18B20的兩個(gè)8位的RAM中。二進(jìn)制數(shù)的前5位是符號(hào)位，如果溫控量的溫度不小于0，那么這5位為0，然后將得到的二進(jìn)制數(shù)值乘以0.062 5就可得到溫控量的實(shí)際溫度；反之，若溫度小于0，那么這5位為1，然后將得到的數(shù)值取反加1再乘以0.062 5就可得到溫控量的實(shí)際溫度。選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，省去了采樣/保持電路、運(yùn)放、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路以及進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的串/并轉(zhuǎn)換電路，從而簡(jiǎn)化了電路，縮短了系統(tǒng)的工作時(shí)間，降低了系統(tǒng)的硬件成本。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 溫度采集模塊的可靠性計(jì)算

溫度采集的可靠性是溫度監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)[7]。單個(gè)數(shù)據(jù)采集的傳感器模塊在某一時(shí)刻之前正常工作的故障率λ（t）和可靠度R（t）計(jì)算如下：

（1）

在實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中其近似值為：

（2）

（3）

其中，n（t）為試驗(yàn)開始到時(shí)間t時(shí)仍失效的元器件、裝置數(shù)；n為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的元器件、裝置總數(shù)。實(shí)際計(jì)算值如下：

平均壽命（無故障工作時(shí)間）：

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序等。

3.1 主程序流程圖

主程序?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。啟動(dòng)后，首先對(duì)系統(tǒng)初始化，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置各采集單元，之后開始不間斷掃描各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，將采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，并進(jìn)行狀態(tài)判斷，如遇不正常情況，則采取相應(yīng)溫度控制措施，如加溫和降溫等。之后對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)判溫度變化趨勢(shì)，為決策提供依據(jù)。其程序流程如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

在數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主程序中，由嵌入式系統(tǒng)控制整個(gè)電路，DS18B20進(jìn)行溫度采集，并且通過嵌入式系統(tǒng)在液晶顯示器上顯示溫度。當(dāng)溫度達(dá)到指定溫度時(shí)將數(shù)據(jù)傳入嵌入式系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行處理。DS18B20的讀時(shí)序開始在總線上傳送1或0。若DS18B20發(fā)送1，則保持總線為高電平；若發(fā)送0，則拉低總線。DS18B20發(fā)出的數(shù)據(jù)在讀時(shí)序下降沿起始后的15 μs內(nèi)有效，因此主機(jī)在讀時(shí)序開始后的15 μs內(nèi)釋放總線。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作情況及性能，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。采用AMD Athlon（tm）X4 CPU，內(nèi)存為8 GB，在Windows7操作系統(tǒng)上進(jìn)行，數(shù)據(jù)庫為MySQL。

通過測(cè)試分析，實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)見表1所列，溫度實(shí)測(cè)誤差平均在0.4～0.5℃之間，因此，軟件較正值設(shè)為0.4℃。

經(jīng)仿真和實(shí)物測(cè)試，歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中可追溯分析，數(shù)據(jù)采集可靠連續(xù)，實(shí)時(shí)工作滿足設(shè)計(jì)要求。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖4所示。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的可靠的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為惡劣環(huán)境提供了一種采集、監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)溫度的有效方案。可以利用監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度，也可以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并能根據(jù)記錄的歷史溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析和合理判斷，從而有效節(jié)省了人力資源，適用于需要長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境或環(huán)境惡劣的場(chǎng)所。此外，系統(tǒng)可以更換不同的傳感器來測(cè)量其他環(huán)境參數(shù)，如測(cè)濕度、有毒氣體等，具有一定的通用性。

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