洪茜

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125005）

0 引言

電力推進(jìn)船舶具有推進(jìn)效率高、操縱性能強(qiáng)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)[1]。但電力推進(jìn)船舶的變壓器、變頻器、高壓配電板等電氣設(shè)備大多工作在高壓、大電流的環(huán)境下，加之船舶工作環(huán)境復(fù)雜，電氣設(shè)備的連接很容易由于灰塵等原因出現(xiàn)接觸電阻過大進(jìn)而引起發(fā)熱的現(xiàn)象。若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)過熱部位并進(jìn)行處理，最終可能導(dǎo)致突發(fā)斷電甚至發(fā)生火災(zāi)。然而，若用電纜直接進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)既不能實(shí)現(xiàn)高壓和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的隔離又難于布線。因此，本文選用 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力推進(jìn)船舶的電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)利用高精度的數(shù)字溫度傳感器，通過無線網(wǎng)絡(luò)將各設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。這樣既實(shí)現(xiàn)了高精度的測(cè)溫，又實(shí)現(xiàn)了高壓和低壓的隔離。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)、低數(shù)據(jù)傳輸速率下的各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)，擁有一套完整的協(xié)議層次結(jié)構(gòu)，由IEEE802.15.4和ZigBee聯(lián)盟共同制定完成[2]。工作頻段有868 MHz，915 MHz，2.4 GHz，可以應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括主節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)連接上位機(jī)，用于建立網(wǎng)絡(luò)，處理各子節(jié)點(diǎn)及路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，相當(dāng)于有線網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器；路由節(jié)點(diǎn)的作用是擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)深度與廣度；子節(jié)點(diǎn)與傳感器連接，作用是采集信號(hào)并傳輸，主要散布在現(xiàn)場(chǎng)中。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將電力推進(jìn)船舶主要電氣設(shè)備的溫度采集至現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，然后現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通過無線將數(shù)據(jù)發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)送到上位機(jī)顯示。溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、ZigBee終端設(shè)備、ZigBee路由設(shè)備、ZigBee協(xié)調(diào)器、RS485通信單元和上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。其中路由器和RS485通信單元只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。因此，系統(tǒng)整體上可分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)匯聚層、數(shù)據(jù)監(jiān)控層三大部分。

數(shù)據(jù)采集層主要是由布設(shè)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)字溫度傳感器、ZigBee終端設(shè)備、以及電源模塊構(gòu)成，其主要功能是完成對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的采集，并對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)在CPU中進(jìn)行判斷，若符合發(fā)送的條件，采集層就會(huì)發(fā)送該溫度數(shù)據(jù)。反之，則立刻進(jìn)入休眠狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，等待下次采集時(shí)間的到來。

圖1 溫度測(cè)量系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)匯聚層由ZigBee的協(xié)調(diào)器組成，主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集層直接送來或者通過路由器路由來的數(shù)據(jù)暫時(shí)保存，等待上位機(jī)進(jìn)行訪問。上位機(jī)成功訪問數(shù)據(jù)后，該數(shù)據(jù)將在數(shù)據(jù)匯聚單元中清除。另外，數(shù)據(jù)匯聚層還負(fù)責(zé)對(duì)其所管轄的ZigBee網(wǎng)絡(luò)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)。數(shù)據(jù)監(jiān)控層的主要功能是將數(shù)據(jù)匯聚層送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。同時(shí)，還提供參數(shù)設(shè)置接口，可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee主節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

ZigBee主節(jié)點(diǎn)又稱為協(xié)調(diào)器，是數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)匯聚者，也是上位機(jī)發(fā)送命令的傳遞者。其主要功能是負(fù)責(zé)其所在區(qū)域內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)[3]。本設(shè)計(jì)選擇 CC2430芯片作為主節(jié)點(diǎn)的 CPU，該芯片集成了加強(qiáng)型的 8051內(nèi)核以及符合 IEEE802.15.4規(guī)范的 2.4 GHz的無線收發(fā)器、可選32/64/128 kB的Flash存儲(chǔ)單元、 8 kB的 RAM、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、看門狗定時(shí)器、上掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程 I/O引腳。TI公司為CC2430芯片提供完全免費(fèi)的協(xié)議棧，使得程序的設(shè)計(jì)更加方便。本設(shè)計(jì)為了增加主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理功能，選用帶 128 kB Flash的CC2430-F128芯片。主節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示。

圖2 主節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

CC2430的晶振有兩個(gè)：一個(gè)是32 M晶振，在正常收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)使用；一個(gè)是32.768 k的晶振，在休眠模式下使用。RS485通信模塊作為上位機(jī)和ZigBee主節(jié)點(diǎn)的連接紐帶。

3.2 ZigBee從節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

ZigBee從節(jié)點(diǎn)主要是由安裝在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）、ZigBee終端（CC2430）、電源模塊、晶振電路和無線射頻天線構(gòu)成，其主要功能是完成對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度采集，CC2430將采集到的溫度信號(hào)分析處理之后通過天線發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)。溫度采集子節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

溫度采集子節(jié)點(diǎn)采用 DS18B20傳感器，DS18B20支持單總線接口[4]（即一條數(shù)據(jù)線上可以接多個(gè)設(shè)備），測(cè)量溫度范圍為-55- 125℃，測(cè)量的溫度直接以數(shù)字量的形式通過單總線發(fā)送到CPU，具有抗干擾能力強(qiáng)、體積小、精度高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

CC2430芯片所需要的電源供電范圍是2～3.6 V，采用電池供電。但DS18B20供電電壓是5 V，在3 V供電的狀態(tài)下誤差大，為盡可能的提高傳感器的轉(zhuǎn)換精度，系統(tǒng)采用升壓電路給DS18B20供電。以保證傳感器的轉(zhuǎn)換精度。晶振電路和無線射頻天線的硬件結(jié)構(gòu)與主節(jié)點(diǎn)基本相同。

4 軟件設(shè)計(jì)

由于 ZigBee的協(xié)議棧已經(jīng)將物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的部分程序編寫完畢，因此，只需要按照協(xié)議棧的工作方式編寫相關(guān)的應(yīng)用程序。

4.1 數(shù)據(jù)匯聚主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)匯聚主節(jié)點(diǎn)的軟件主要是收集傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)和傳送上位機(jī)發(fā)來的命令。主節(jié)點(diǎn)在上電后，首先是按照Z(yǔ)igBee協(xié)議棧的工作流程，組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)組建完成后，則執(zhí)行應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)匯聚主節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖4所示。

應(yīng)用程序首先進(jìn)行初始化和相關(guān)通信參數(shù)的設(shè)置。然后檢測(cè)主節(jié)點(diǎn)的供電方式，若是備用電源，向管理人員報(bào)警；否則正常執(zhí)行程序。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)時(shí)，先判斷該數(shù)據(jù)來自串口（上位機(jī)）還是來自傳感器節(jié)點(diǎn)。若是來自串口，則進(jìn)入命令處理子程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理；若來自傳感器節(jié)點(diǎn)，則進(jìn)入溫度數(shù)據(jù)處理子程序進(jìn)行處理，更新溫度存儲(chǔ)區(qū)域的數(shù)據(jù)。處理完之后，程序回到等待接收數(shù)據(jù)和檢測(cè)電源供電狀態(tài)位置，不斷地進(jìn)行檢測(cè)和等待，直到下一個(gè)數(shù)據(jù)處理的過程。

4.2 數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖5所示。數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度采集至CPU，然后在溫度變化率超過一定范圍時(shí)，將其無線傳送至主節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)上電后，首先搜索 ZigBee網(wǎng)絡(luò)，若搜索到網(wǎng)絡(luò)并成功加入后，就開始執(zhí)行應(yīng)用程序。

應(yīng)用程序首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)的初始化、清除休眠的標(biāo)志，傳感器DS18B20開始采集溫度。為了避免較大誤差，溫度采集將進(jìn)行N次（N值根據(jù)環(huán)境確定），最后取平均值。然后和上次溫度的平均值進(jìn)行比較，若比較的結(jié)果大于設(shè)定的值，則本次溫度數(shù)據(jù)將發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)；否則不發(fā)送，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。在休眠時(shí)間到后，重復(fù)上面的過程。另外，在采集溫度時(shí)，通過溫度傳感器的復(fù)位或地址匹配來判斷是否發(fā)生故障。

4.3 監(jiān)控軟件及監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)的監(jiān)測(cè)界面是利用NI的LabVIEW測(cè)控軟件開發(fā)的[5]。利用該軟件開發(fā)的界面具有簡(jiǎn)潔、美觀的特點(diǎn)，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眼前。在LabVIEW上設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面是利用 LabVIEW 中的ACTIVE控件來調(diào)用MSCOMM控件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與主節(jié)點(diǎn)間的通信的。在RS485總線上的主節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)顯示處理。船舶高壓配電板監(jiān)測(cè)界面如圖6所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)針對(duì)電力推進(jìn)船舶的實(shí)際情況，以船舶中各主要電氣設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)為研究對(duì)象。提出了一種基于ZigBee技術(shù)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是在不便于布線的場(chǎng)合可以實(shí)現(xiàn)溫度的定量測(cè)量以及實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的無線低功耗傳輸，大大提高了船舶電氣設(shè)備的運(yùn)行可靠性。但是，電氣設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)只是船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分，要真正將 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)全面應(yīng)用于船上的各種設(shè)備，全面提升船舶的自動(dòng)化程度，還需要設(shè)計(jì)并研制更多的適用于船舶的傳感器節(jié)點(diǎn)。

[1] 栗勝利. 船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展[J]. 船電技術(shù).2009, 29 （4）: 46- 49.

[2] 趙洪磊,王英龍. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)問題的研究[J].信息技術(shù)與信息化.2008, （2） :50-52.

[3] 梁光勝, 劉丹娟. 基于 CC2430的ZigBee無線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程.2010, 18（2）: 15-18.

[4] 孫鵬. DS18B20單線多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作.2010, 3:24-28.

[5] 張桐等. 精通 Labview程序設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2008.