鐘 蕊， 安博文， 陳 維， 倪訓(xùn)鵬， 潘勝達(dá)

(1.上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院,上海 201306；2.浦東海事局危管防污中心,上海 200086)

0 引 言

船舶燃油燃燒排放的污染物主要包括硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物和顆粒物，其中,硫氧化物和氮氧化物對(duì)大氣和人類的危害最嚴(yán)重。由于船舶安裝尾氣過濾裝置的情況較少，尾氣污染物隨風(fēng)飄向沿海與內(nèi)河港口城市，加重城市環(huán)境污染。我國(guó)交通部自2016年正式施行《珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海(京津冀)水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》以來，不斷提高限制硫和氮排放的要求，擴(kuò)大排放控制區(qū)范圍?，F(xiàn)階段海事監(jiān)管部門的監(jiān)控手段多針對(duì)燃油，缺少對(duì)船舶尾氣的直接監(jiān)控。目前常用的船舶尾氣檢測(cè)方法主要有兩種，一是可遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)的光學(xué)法，二是直接對(duì)尾氣進(jìn)行采樣檢測(cè)的嗅探法[1]。本文設(shè)計(jì)的尾氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于嗅探法，以吊艙的形式安裝在無(wú)人機(jī)上，具有靈活性高，易于維護(hù)的特點(diǎn)[2]，對(duì)排放控制區(qū)內(nèi)的船舶進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為海事監(jiān)管部門提供港區(qū)船舶尾氣濃度數(shù)據(jù)。

1 總體設(shè)計(jì)

船舶尾氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是監(jiān)控港區(qū)在航船舶的尾氣濃度，通過無(wú)人機(jī)搭載吊艙進(jìn)行尾氣檢測(cè)，吊艙主要由氣路模塊、傳感器組、主控單元構(gòu)成。

氣路模塊由進(jìn)氣管、過濾嘴、微型氣泵和排氣管構(gòu)成，其主要用來對(duì)尾氣進(jìn)行預(yù)處理，氣泵為傳感器模組提供尾氣傳輸動(dòng)力，傳感器模組實(shí)時(shí)采集尾氣中SO2和CO2體積分?jǐn)?shù)和溫濕度等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)主控單元分析整理后通過4 G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器。

系統(tǒng)軟件移植了FreeRTOS，它是一種開源、內(nèi)核精簡(jiǎn)、裁剪方便的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[3]，但其本身沒有提供文件管理功能，因此，同時(shí)也移植了一種開源小巧并且讀寫高效的文件管理系統(tǒng)，即FATFS[4]，使用FreeRTOS和FATFS作為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，確保吊艙系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司的STM32f103RCT6微控制器(micro controller unit,MCU)[5]，控制其他各個(gè)模塊的運(yùn)作：氣泵控制模塊通過調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比改變氣泵轉(zhuǎn)速，控制進(jìn)氣速度；數(shù)字量采集模塊完成兩路串口數(shù)據(jù)和一路I2C總線數(shù)據(jù)的接收，接收的信息包括SO2和CO2體積分?jǐn)?shù)以及溫濕度信息；GPS定位模塊負(fù)責(zé)采集工作狀態(tài)中吊艙的位置信息和時(shí)間信息；存儲(chǔ)模塊完成尾氣數(shù)據(jù)的備份操作；4 G通信模塊的功能是在吊艙工作過程中，實(shí)時(shí)將主控模塊整合好的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。

2.1 電源模塊

電源模塊是吊艙結(jié)構(gòu)中最重要的模塊之一，其性能和穩(wěn)定性直接影響吊艙工作性能的優(yōu)劣。由于該系統(tǒng)中模塊較多，工作電壓需求不同且電壓差較大，如氣泵模塊需要同時(shí)用到24 V和5 V電壓，主控芯片需要用3.3 V電壓，4 G通信模塊需要用到3.9 V電壓，因此，電源模塊采用兩級(jí)降壓的方式設(shè)計(jì)。

具體降壓過程如下：吊艙系統(tǒng)的外部供電采用無(wú)人機(jī)提供的24 V電源，24 V電壓通過TPS5430電壓轉(zhuǎn)換模塊輸出7 V電壓；7 V電壓再分別通過AMS1117—5.0,AMS1117—3.3,MIC29302WU模塊輸出5,3.3,3.9 V電壓。

2.2 氣泵控制模塊

氣泵采用KLP04—320—24微型隔膜泵，其額定工作電壓為24 V，由無(wú)人機(jī)直接提供，負(fù)載電流為150 mA，氣體流量為(320±80)mL/min。主控芯片可以通過調(diào)節(jié)輸出脈沖占空比來控制氣泵流速，以滿足吊艙在不同工況下運(yùn)行時(shí)對(duì)氣體流量的不同需求。

2.3 數(shù)字量采集模塊

吊艙系統(tǒng)需要完成對(duì)溫濕度信息、CO2和SO2體積分?jǐn)?shù)信息的接收與存儲(chǔ)。數(shù)字量采集模塊使用一路I2C總線和兩路UART總線，實(shí)現(xiàn)主控制器與外接傳感器之間的通信。溫濕度傳感器型號(hào)為SHT21，輸出采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C格式，其濕度工作范圍為0 %～100 %RH，溫度工作范圍為-40～125 ℃，工作電壓范圍為2.1～3.6 V，功耗為3.2 μW。SO2和CO2傳感器的型號(hào)分別為SO2-B4和CO2-IRC-A1，檢測(cè)原理分別為電化學(xué)[6]和非色散紅外[7]。主控芯片通過串口USART3和UART4與其通信，傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 氣體傳感器參數(shù)

2.4 GPS定位模塊

定位模塊采用L76C模塊，支持多衛(wèi)星系統(tǒng)聯(lián)合定位，包括GPS、BeiDou、GLONASS和Gallileo等，性能穩(wěn)定，定位精度小于等于2.5 m CEP，采樣頻率最高達(dá)10 Hz。該模塊提供UART和I2C兩種數(shù)據(jù)傳輸接口，主控芯片通過串口UART5與其通信，獲取吊艙經(jīng)緯度和時(shí)間信息。GPS定位模塊電路如圖1所示。

圖1 GPS定位模塊電路

2.5 4 G通信模塊

4 G通信采用EC20模塊，可向下兼容2 G/3 G，支持LTE-FDD，LET-TDD，WCDMA，TD-SCDMA，GSM等多種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接，同時(shí)內(nèi)置了豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和多個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，主控芯片通過串口USART1與該模塊進(jìn)行AT命令傳送和數(shù)據(jù)傳輸，向數(shù)據(jù)庫(kù)端發(fā)送尾氣數(shù)據(jù)采用TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通信模塊接口電路如圖2所示，其中虛線部分省略了具體的電路。

圖2 4 G通信模塊電路示意

2.6 存儲(chǔ)模塊

考慮到港區(qū)海面上4 G信號(hào)未覆蓋或信號(hào)弱的情況，難以做到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，該系統(tǒng)添加了存儲(chǔ)模塊，將所有檢測(cè)數(shù)據(jù)備份到存儲(chǔ)設(shè)備。STM32F103控制器支持兩種SD卡操作模式：SDIO模式和SPI模式。SDIO方式數(shù)據(jù)傳輸速度較快，由于需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量不大，因此采用SPI模式，此模式對(duì)硬件接口兼容性較好，且容易編程實(shí)現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

吊艙主控制器需要完成多只傳感器的數(shù)據(jù)采集、GPS定位數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)整合存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、氣泵控制等多個(gè)工作。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)移植了FreeRTOS和FATFS，以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求，將主控制器需要完成的工作劃分成多個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，由調(diào)度器完成多任務(wù)運(yùn)行調(diào)度，使用消息隊(duì)列完成任務(wù)間的數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖3所示，圖中步驟(1)～步驟(4)為系統(tǒng)軟件主函數(shù)運(yùn)行流程。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

3.2 初始化設(shè)計(jì)

首先,需要對(duì)保存吊艙配置信息的Flash區(qū)進(jìn)行初始化，包括吊艙編號(hào)、出廠日期、數(shù)據(jù)上報(bào)速率以及氣泵電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息。然后,初始化5個(gè)串口的配置，串口分別用來和以下模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：EC20通信模塊、調(diào)試接口、SO2氣體傳感器接口、CO2氣體傳感器接口、GPS定位模塊。接著,初始化主控芯片與各模塊相連的總線接口或GPIO口的配置，包括 GPS模塊復(fù)位端口、溫濕度傳感器I2C總線接口、用于氣泵調(diào)速的硬件定時(shí)器端口以及通信模塊的電源控制端口等。最后,從Flash區(qū)讀取數(shù)據(jù)上報(bào)速率和氣泵電機(jī)轉(zhuǎn)速信息并進(jìn)行初始化。

3.3 消息隊(duì)列設(shè)計(jì)

FreeRTOS提供的隊(duì)列主要用來完成任務(wù)與任務(wù)之間、任務(wù)與中斷之間的消息傳遞，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)了三個(gè)消息隊(duì)列，分別用來存儲(chǔ)以下內(nèi)容：1) 發(fā)送消息隊(duì)列，隊(duì)列中的消息需要被通信模塊發(fā)送到服務(wù)器端；2) 存儲(chǔ)消息隊(duì)列，隊(duì)列中的消息需要被存儲(chǔ)到SD卡中；3) 接收消息隊(duì)列，隊(duì)列中的消息由通信模塊接收，這些消息與吊艙配置相關(guān)，如數(shù)據(jù)上報(bào)速率修改、氣泵電機(jī)轉(zhuǎn)速修改、吊艙編號(hào)修改等。

3.4 任務(wù)設(shè)計(jì)

根據(jù)吊艙的功能要求系統(tǒng)軟件建立了8個(gè)主要任務(wù)：1)初始化主任務(wù)：該任務(wù)首先初始化EC20通信模塊的上線功能，與服務(wù)器建立TCP連接，并將吊艙配置信息和網(wǎng)絡(luò)信息存入發(fā)送消息隊(duì)列等待通信模塊發(fā)送任務(wù)處理;接著創(chuàng)建其他任務(wù)，將自身掛起。2)通信模塊接收任務(wù)：主要用來接收來自服務(wù)器的下發(fā)指令，進(jìn)行解碼并把不同的報(bào)文存入接收消息隊(duì)列中，等待吊艙配置任務(wù)處理。3)通信模塊發(fā)送任務(wù)：從發(fā)送消息隊(duì)列中讀取消息，即整合后的尾氣濃度等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，接著根據(jù)服務(wù)器接收?qǐng)?bào)文協(xié)議，為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加上固定報(bào)文頭部，最后進(jìn)行發(fā)送。4)SD卡存儲(chǔ)任務(wù)：從存儲(chǔ)消息隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)，存入SD卡中。5)GPS數(shù)據(jù)采集任務(wù)：采集GPS數(shù)據(jù)，包括經(jīng)緯度、海拔高度和時(shí)間信息，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、解析和提取操作，并將數(shù)據(jù)暫存在結(jié)構(gòu)體內(nèi)等待軟件定時(shí)器任務(wù)讀取。6)傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)：按照規(guī)定采樣頻率采集溫濕度、CO2和SO2氣體體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)暫存在結(jié)構(gòu)體內(nèi)等待定時(shí)器任務(wù)讀取，同時(shí)更新采樣速率。7)軟件定時(shí)器任務(wù)：軟件定時(shí)器任務(wù)包含兩個(gè)定時(shí)任務(wù)，一個(gè)是定時(shí)向服務(wù)器端發(fā)送心跳指令保持與服務(wù)器的連接；另一個(gè)是定時(shí)讀取GPS數(shù)據(jù)和各傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分別按照發(fā)送消息隊(duì)列與存儲(chǔ)消息隊(duì)列的數(shù)據(jù)格式整合處理并存入相應(yīng)隊(duì)列中，等待通信模塊發(fā)送任務(wù)和SD卡存儲(chǔ)任務(wù)處理。8)吊艙配置任務(wù)：從接收消息隊(duì)列中讀取報(bào)文，這些報(bào)文可能是設(shè)置數(shù)據(jù)上傳頻率、調(diào)整氣泵轉(zhuǎn)速、重啟等命令，根據(jù)提取出的報(bào)文類別分別做出相應(yīng)配置并將配置數(shù)據(jù)寫入到Flash中。

4 系統(tǒng)測(cè)試

整機(jī)安裝完成后，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)吊艙的主要功能進(jìn)行了測(cè)試，包括傳感器和GPS數(shù)據(jù)采集測(cè)試、數(shù)據(jù)發(fā)送測(cè)試以及吊艙配置修改測(cè)試，測(cè)試驗(yàn)證了吊艙功能完整性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)測(cè)試完成之后，在外高橋碼頭對(duì)靠港船只和在航船只開展了實(shí)際尾氣排放的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，無(wú)人機(jī)搭載吊艙實(shí)際檢測(cè)如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)搭載吊艙實(shí)際檢測(cè)

使用吊艙對(duì)多艘船舶進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)，其中兩艘船舶的尾氣濃度數(shù)據(jù)如圖5所示，結(jié)合圖中氣體體積分?jǐn)?shù)變化情況可知，無(wú)人機(jī)搭載吊艙檢測(cè)尾氣的過程是一個(gè)不斷進(jìn)出尾氣羽流的檢測(cè)過程，因此會(huì)出現(xiàn)多個(gè)體積分?jǐn)?shù)峰值。

圖5 實(shí)測(cè)SO2與CO2的體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種船舶尾氣排放遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)合無(wú)人機(jī)具有較高的靈活性，可在工況復(fù)雜的尾氣羽流中近距離檢測(cè)，使用多個(gè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尾氣濃度數(shù)據(jù)，并通過4 G網(wǎng)絡(luò)將尾氣數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器，便于監(jiān)管人員監(jiān)控船舶的尾氣排放情況。實(shí)驗(yàn)證明：該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、運(yùn)行穩(wěn)定和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。