馬 川，毛宏雨，劉彥呈

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基于WSN的電力推進(jìn)船舶電氣設(shè)備過(guò)熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

馬 川1,2，毛宏雨2，劉彥呈1

（1. 大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026；2. 青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院機(jī)電系，山東青島 266071）

針對(duì)目前電力推進(jìn)船舶普遍采用有線進(jìn)行電氣設(shè)備過(guò)熱監(jiān)測(cè)的局限性，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)，研制了一種基于WSN的電力推進(jìn)船舶電氣設(shè)備過(guò)熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)并制作了中心節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件，編寫(xiě)了過(guò)熱監(jiān)測(cè)的軟件并創(chuàng)新性的采用軟件動(dòng)態(tài)休眠節(jié)能和發(fā)射功率控制的方案，有效的延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命。結(jié)果表明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備過(guò)熱的精確測(cè)量，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)測(cè)試證明其和有線測(cè)量可以達(dá)到同樣的精度。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 電力推進(jìn)船舶 電氣設(shè)備 過(guò)熱監(jiān)測(cè)

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，以下簡(jiǎn)稱WSN）是由大量具有通信能力和計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)在監(jiān)控區(qū)域而構(gòu)成的，能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的“智能”測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有低成本、低功耗、體積小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活、數(shù)據(jù)傳輸可靠等特點(diǎn)。目前，廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧城市等領(lǐng)域[1,2]。電力推進(jìn)船舶具有良好的操縱性和經(jīng)濟(jì)性、極少的振動(dòng)和噪音、靈活的機(jī)艙空間布置等優(yōu)點(diǎn)[3]，成為現(xiàn)代造船的發(fā)展方向。電力推進(jìn)船舶有很多重要的電氣設(shè)備，對(duì)這些電氣設(shè)備過(guò)熱溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有助于管理人員提前預(yù)測(cè)故障，及時(shí)采取措施，避免故障擴(kuò)大化。

目前，對(duì)電力推進(jìn)船舶電氣設(shè)備溫度的監(jiān)測(cè)一般采用傳統(tǒng)的有線測(cè)溫和紅外測(cè)溫的方法。有線測(cè)溫的方法需要布設(shè)大量的電纜，而且不易實(shí)現(xiàn)高低壓隔離，而紅外測(cè)溫的方法，雖然可以實(shí)現(xiàn)高低壓隔離，但是需要工作人員定期巡回測(cè)溫，不能保證實(shí)時(shí)測(cè)量且測(cè)量精度不高受環(huán)境影響大。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文將WSN技術(shù)引入到船舶應(yīng)用中，研制出一種基于WSN的電力推進(jìn)船舶電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確測(cè)溫，又能保證高低壓隔離，克服了傳統(tǒng)方式的局限性且成本較低，是目前中高壓電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于WSN的電力推進(jìn)船舶電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)、MODBUS通信單元、和上位機(jī)應(yīng)用軟件組成（如圖1所示）。

傳感器節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)字溫度傳感器、CPU、電源模塊構(gòu)成，在不方便布線的場(chǎng)合，傳感器節(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電。其主要功能是對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行采集，并根據(jù)溫度變化情況自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能；路由節(jié)點(diǎn)的主要功能是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行路由，若該路由節(jié)點(diǎn)的路由表中的下一跳地址是中心節(jié)點(diǎn)，則就將數(shù)據(jù)傳遞到了終點(diǎn)。若路由節(jié)點(diǎn)的下一跳路由地址仍然是路由節(jié)點(diǎn)，則該路由器就將數(shù)據(jù)傳遞給下一路由器繼續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行路由；中心節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)暫時(shí)保存，等待上位機(jī)讀取。另外，中心節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)對(duì)WSN進(jìn)行維護(hù)，接收上位機(jī)的命令信息并更改網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)；上位機(jī)應(yīng)用軟件是由NI公司的Labview測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)的，其主要功能是將中心節(jié)點(diǎn)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和存儲(chǔ)，以備將來(lái)分析故障之用。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于部分WSN傳感器節(jié)點(diǎn)工作在鋰電池供電的狀態(tài)下[4]，這就要求在硬件設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到節(jié)能。同時(shí)，在電力推進(jìn)船舶上，電氣設(shè)備較多并且是6.6 kV的中壓設(shè)備，故在硬件設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮到高壓隔離和防止電磁干擾。

圖2 中心節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

中心節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的微處理器均選用TI公司的CC2530。該種芯片無(wú)論在性能上還是成本上都比同種類型的芯片要優(yōu)越。同時(shí)，TI公司還為CC2530芯片量身定做了完全免費(fèi)的協(xié)議棧，使得程序的設(shè)計(jì)更加方便。該芯片內(nèi)部集成有符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的無(wú)線收發(fā)器，RF射頻單元的接收靈敏度非常高、抗干擾性能強(qiáng)，休眠模式下僅需要0.9mA的電流，節(jié)能性能非常好，特別適合于電池供電的設(shè)備。

傳感器節(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電，故在設(shè)計(jì)電路時(shí)要能保證節(jié)點(diǎn)在休眠時(shí)能夠關(guān)斷傳感器電源以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。電路只在傳感器工作期間投入工作（通過(guò)CPU控制TPC8102芯片），其余時(shí)間處于斷電狀態(tài)。傳感器節(jié)點(diǎn)采用的是數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該傳感器直接將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送至CPU。

另外，傳感器節(jié)點(diǎn)處于高壓電場(chǎng)和各種干擾之中，故本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了電場(chǎng)屏蔽，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)加裝了屏蔽罩并且屏蔽層可靠接地。所有芯片輸入引腳都通過(guò)電阻上拉，盡可能少的防止芯片受到外界電場(chǎng)干擾。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，將地線加粗并電路板大面積覆銅，以減少地線引起的干擾。節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)，還加入了“看門(mén)狗”功能。

3 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件和硬件是相輔相成的，二者相互配合才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)分為三層：傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件（溫度采集、發(fā)射功率控制、命令處理），中心節(jié)點(diǎn)的軟件（MODBUS通信軟件、命令處理軟件）和上位機(jī)應(yīng)用軟件。

3.1 中心節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)上電后，首先組建一個(gè)新的WSN網(wǎng)絡(luò), 在網(wǎng)絡(luò)組建完成后，執(zhí)行應(yīng)用層程序，進(jìn)行用戶程序的初始化。初始化后，程序?qū)⒉粩嗟臋z測(cè)是否有數(shù)據(jù)進(jìn)入。當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)收到通信模塊送來(lái)的數(shù)據(jù)或者傳感器節(jié)點(diǎn)送來(lái)的無(wú)線數(shù)據(jù)時(shí)，將進(jìn)入接收程序。若數(shù)據(jù)來(lái)自上位機(jī)，則進(jìn)入命令處理子程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。若來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)，則進(jìn)入溫度處理子程序。

傳感器節(jié)點(diǎn)上電后，首先搜索區(qū)域內(nèi)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，若搜索到網(wǎng)絡(luò)并成功加入后，就開(kāi)始執(zhí)行應(yīng)用程序并開(kāi)始采集溫度。采集M次后，取平均值發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，計(jì)算出溫度變化率。根據(jù)變化率的大小，計(jì)算自己的休眠時(shí)間并令傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能。休眠時(shí)間到后，接著進(jìn)行M次溫度采集。

3.2 上位機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)應(yīng)用軟件是利用NI 公司的Labview測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)的，該軟件開(kāi)發(fā)的界面具有簡(jiǎn)潔、美觀的特點(diǎn)并且能夠直觀的將各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息顯示在管理人員面前。本文在設(shè)計(jì)上位機(jī)界面時(shí)，盡可能的將界面顯示情況和實(shí)際的電氣設(shè)備對(duì)應(yīng)起來(lái)，以便于管理人員能夠在短時(shí)間內(nèi)定位電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度如圖所示。該應(yīng)用軟件具有以下功能：1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)的顯示及報(bào)警功能；2）參數(shù)的定時(shí)打印和召喚打印功能；3）參數(shù)報(bào)警的閉鎖及通信參數(shù)設(shè)定功能；4）參數(shù)越限故障預(yù)測(cè)功能。

4 傳感器節(jié)點(diǎn)的節(jié)能控制

系統(tǒng)中部分傳感器節(jié)點(diǎn)采用的是電池供電，對(duì)該類型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)能控制是必要的。射頻發(fā)射機(jī)的發(fā)射能量與傳輸距離的次方成正比，較為理想的節(jié)能方案是隨著傳輸距離的改變而改變發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，從而達(dá)到節(jié)能目的。當(dāng)節(jié)點(diǎn)間的距離一定時(shí)（如圖3所示），節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間距離為。當(dāng)A和B通信時(shí)，以10 mW的發(fā)射功率發(fā)射數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)B就可以安全可靠的收到數(shù)據(jù)。如果節(jié)點(diǎn)A以20 mW的功率發(fā)射數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)D也以20 mW的功率發(fā)射數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)B能夠收到節(jié)點(diǎn)A的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)C也能夠收到節(jié)點(diǎn)D的數(shù)據(jù)。但是，節(jié)點(diǎn)A發(fā)射的覆蓋范圍和節(jié)點(diǎn)D發(fā)射的覆蓋范圍有重疊，這樣就會(huì)造成信道間的沖突，在節(jié)點(diǎn)眾多的情況下可能會(huì)丟失數(shù)據(jù)[5,6]。更重要的是，發(fā)射功率增加后，造成了不必要的能量浪費(fèi)。

根據(jù)無(wú)線電波在自由空間中的傳輸公式，即Frris傳輸公式[7]：

其中，GG為發(fā)送和接收天線的增益，為載波波長(zhǎng)，為發(fā)送和接收間的距離，為損耗因子，P是發(fā)射功率，P是接收功率。當(dāng)GG均確定的情況下，只要知道P就可以根據(jù)公式求出P。公式（1）經(jīng)過(guò)變形就可以得到：

其中，P是最佳發(fā)射功率，P是接收機(jī)的接收門(mén)限功率。綜合公式（1）和公式（2）可以得到：

根據(jù)（3）可以得知：只要知道接收機(jī)的門(mén)限功率P、發(fā)射功率P和接收功率P就可以求出最佳發(fā)射功率P的值。系統(tǒng)采用的芯片是CC2530，通過(guò)芯片資料可以得到其接收機(jī)的門(mén)限功率P的值為-91 dbm。另外，通過(guò)該芯片的寄存器RSSIL中的RSSI_VAL位可以得到其接收的功率值P，這樣，只要知道發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率值P然后再根據(jù)公式（3）就可以計(jì)算出最佳發(fā)射功率P的值[8]。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的獲取傳感器節(jié)點(diǎn)最佳發(fā)射功率的方案流程圖（如圖4、5所示）。

圖3 節(jié)點(diǎn)間發(fā)射功率范圍示意圖

圖4 建立最佳發(fā)射功率傳感器節(jié)點(diǎn)流程

5 系統(tǒng)性能的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所研制的基于WSN的電力推進(jìn)船舶電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和有線溫度采集的性能進(jìn)行對(duì)比。具體的實(shí)施方案如下：

1）將本文所研制的帶有動(dòng)態(tài)休眠的傳感器節(jié)點(diǎn)和有線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)同時(shí)并且在同一位置放到實(shí)驗(yàn)室的容器中。

2）實(shí)驗(yàn)室的容器采用電加溫的方式，逐漸將溫度從室溫加熱到100℃。

3）有線溫度測(cè)量采用200 ms的間隔采樣，本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)采用動(dòng)態(tài)休眠的方式進(jìn)行采集（按照本文所設(shè)計(jì)的方案，根據(jù)溫度變化率動(dòng)態(tài)調(diào)整采集間隔）。

4）將兩者的結(jié)果放在同一圖表中，觀察本文所設(shè)計(jì)的帶動(dòng)態(tài)休眠的傳感器節(jié)點(diǎn)采集結(jié)果和有線采集結(jié)果的差別。

5）結(jié)果發(fā)現(xiàn)：本文所設(shè)計(jì)的基于WSN的電力推進(jìn)船舶電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和有線測(cè)溫的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有同樣高的測(cè)量精度。

實(shí)驗(yàn)室實(shí)物測(cè)量結(jié)果證明：基于WSN的電力推進(jìn)船舶電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)有線測(cè)溫的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高低壓隔離并且和有線測(cè)溫具有同樣的測(cè)量精度。

圖7 溫度采集性能

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電力推進(jìn)船舶的實(shí)際問(wèn)題，以電力推進(jìn)船舶中各主要電氣設(shè)備的過(guò)熱監(jiān)測(cè)為研究對(duì)象，提出了一種基于WSN的無(wú)線電氣設(shè)備過(guò)熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是在不便于布線的場(chǎng)合可以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量及實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的無(wú)線低功耗傳輸。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)異常時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警提醒管理人員處理，提高了電力推進(jìn)船舶電氣設(shè)備的運(yùn)行可靠性。但是，電推船舶電氣設(shè)備監(jiān)控涉及的內(nèi)容廣泛而復(fù)雜，本文所研制的電氣設(shè)備的過(guò)熱監(jiān)測(cè)只是其中的一個(gè)方面，要真正的將基于WSN的無(wú)線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用于電力推進(jìn)船舶電氣設(shè)備及其他重要的機(jī)械設(shè)備中，還需設(shè)計(jì)并研制更多的傳感器節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)的研制，為電力推進(jìn)船舶實(shí)現(xiàn)“智能機(jī)艙”提供了理論基礎(chǔ)。

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Design of Electrical Equipment Overheat Monitoring System on Electric Propulsion Ship Based on WSN

Ma Chuan1,2, Mao Hongyu2, Liu Yancheng1

(1. Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China; 2. Qingdao Shipping Mariner’s College, Qingdao 266071, Liaoning, China)

U665.2

A

1003-4862（2018）08-0013-04

2018-04-23

馬川 (1984-)，男，在讀博士、講師。研究方向：船舶自動(dòng)與智能化、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究。E-mail: machuan1984@126.com