張春燕，俞萬能

(集美大學輪機工程學院，福建廈門361021)

0 引言

游覽船舶突發(fā)事故越來越多［1-2］，事故原因有設備故障，航速不穩(wěn)，供電不足等.由于游覽船舶較小，不能配備專門的技術人員，設備管理不到位，不能及時處理船舶使用過程中出現(xiàn)的問題，所以無線監(jiān)控管理在內湖游覽船舶中有極其重要的作用［3-5］.由于GPRS無線網(wǎng)絡具有實時在線、傳輸速率高、按流量計費等特點，并且覆蓋內湖區(qū)域，所以筆者選用GPRS無線網(wǎng)絡，并采用GPRS DTU無線傳輸模塊，以期實現(xiàn)內湖游覽船舶的無線監(jiān)控管理.

本文在Delphi開發(fā)軟件、SQL Sever 2005數(shù)據(jù)庫和無線通信技術的支持下，研發(fā)了一種基于Delphi的太陽能游覽船舶無線監(jiān)控管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)太陽能游覽船舶的岸與船的對話，并且進行信息的安全交流，通過對采集數(shù)據(jù)信息的分析與管理，可以對太陽能游覽船舶進行監(jiān)督管理、水上救助、提前維護、事故預警等.從而保證太陽能游覽船舶航行安全，提高船舶管理水平，減少船舶事故發(fā)生［6］.

1 船舶無線監(jiān)控管理系統(tǒng)結構分析

無線監(jiān)控管理系統(tǒng)由上位機 (基于Delphi語言的監(jiān)控中心)、下位機 (基于PLC和現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))和無線傳輸設備 (基于GPRS DTU的無線數(shù)據(jù)傳輸)構成.上位機主要功能是對系統(tǒng)信息進行集中管理，對采集的數(shù)據(jù)進行分析和整理，同時對下位機進行實時控制.下位機主要功能是采集太陽能游覽船舶上的動力、電力等終端設備的信息，將所采集到的數(shù)據(jù)信息上傳給上位機并接受上位機的控制指令.上位機與下位機通過GPRS DTU無線傳輸設備進行無線數(shù)據(jù)的通訊.其中，下位機主要由數(shù)據(jù)監(jiān)控設備PLC、數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場總線兩部分組成，現(xiàn)場總線負責將各個監(jiān)控設備節(jié)點的數(shù)據(jù)采集上傳，通過AnyBus協(xié)議轉換模塊將數(shù)據(jù)傳給PLC，PLC根據(jù)接受的數(shù)據(jù)按照既定的控制策略執(zhí)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控管理.GPRS DTU傳輸設備作為上位機和下位機通訊的中間設備，主要負責接受數(shù)據(jù)采集設備采集到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到上位機，同時接受上位機系統(tǒng)的控制指令，并把該指令下發(fā)給相應的數(shù)據(jù)采集設備，控制設備的運行與中斷［7］.如圖1為無線監(jiān)控管理系統(tǒng)結構圖.

圖1 無線監(jiān)控管理系統(tǒng)結構圖Fig.1 The structure of wireless monitoring management system

2 無線監(jiān)控管理系統(tǒng)

2.1 功能分析

監(jiān)控中心的主要功能是實時監(jiān)測太陽能游覽船舶各種設備的運行狀態(tài)，并控制相應的設備，管理整個上位機的運行并對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理.其中的主要模塊包括實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、設備運行控制、數(shù)據(jù)報警、權限管理和數(shù)據(jù)管理等［7］.

1)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊以動態(tài)的形式實時反映太陽能游覽船舶監(jiān)控設備的數(shù)據(jù)狀態(tài)，顯示太陽能船舶左右機的航速、主機轉速、總電壓、最低單體電壓、最高單體電壓、充電電流、放電電流和電池溫度等.

2)設備運行控制模塊控制太陽能游覽船舶監(jiān)控管理系統(tǒng)的啟動、停止和運行.

3)數(shù)據(jù)報警模塊對監(jiān)控界面接受到的船舶設備數(shù)據(jù)進行分析.如果數(shù)據(jù)值超出安全范圍，則啟動報警，即在監(jiān)控界面上顯示紅色危險;如果數(shù)據(jù)值在安全范圍內，則顯示綠色正常.

4)數(shù)據(jù)管理模塊將監(jiān)控系統(tǒng)采集的船舶設備數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以便隨時調用和查看，為日后船舶設備維護作參數(shù)對比.

5)權限管理模塊設定操作員操作系統(tǒng)時所具有的權限，在本管理系統(tǒng)中操作員分為系統(tǒng)管理人員、一般管理人員、一般操作人員三種類型.其中，系統(tǒng)管理人員具有最高的管理權限，可以對本系統(tǒng)的所有信息進行操作;一般管理員具有部分使用權限，具有一定的增加、刪除、修改、更新等權限;一般操作員則主要負責日常操作系統(tǒng)的使用權限.

2.2 基于PLC和現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是針對太陽能游覽船舶動力設備和配電設備的數(shù)據(jù)進行采集和控制，下位機主要有蓄電池管理系統(tǒng) (BMU)、CAN總線、Anybus網(wǎng)關和PLC組成.蓄電池管理系統(tǒng)主要是對電池進行電量控制、能量均衡以及充放電管理等;采用CAN總線來實現(xiàn)整個控制監(jiān)控信號采集的數(shù)據(jù)通信，CAN總線連接主要的電力系統(tǒng)和主要負載，系統(tǒng)包括:太陽能發(fā)電系統(tǒng) (太陽能電池板、太陽能輸出控制器等)、直流變換器控制信號、生活娛樂用電設備、蓄電池管理系統(tǒng) (單體信息、箱電壓/流)、負載信息等;CAN通信末端采用Anybus轉換模塊將總線數(shù)據(jù)轉換為DP格式向主控制器PLC發(fā)送;主控制器PLC與上位機監(jiān)控屏幕通過GPRS DTU進行通信和模式選擇 (如圖2所示).

圖2 數(shù)據(jù)采集結構圖Fig.2 The structure of data collection

2.3 GPRS DTU無線通信

GPRS DTU (Data Transfer Unit，數(shù)據(jù)傳輸單元)利用GPRS網(wǎng)絡為用戶提供高速、永遠在線、TCP/UDP透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓I(yè)級無線終端設備.它以實時操作系統(tǒng)為軟件平臺，內嵌TCP/IP協(xié)議棧，為用戶提供高速，穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)終端永遠在線，多種協(xié)議轉換、虛擬專用網(wǎng)絡的系統(tǒng)應用.DTU系統(tǒng)有X86架構RDC處理器、32KB SDRAM＆512KB Flash和高性能工業(yè)級無線模塊三大部分組成.DTU工作原理如圖3所示.

圖3 DTU工作原理圖Fig.3 The schematic diagram of DTU

GPRS DTU工作時，首先是給GPRS DTU上電，之后，讀出內部FLASH中保存的工作參數(shù)(GPRS撥號參數(shù)，數(shù)據(jù)中心IP地址，串口波特率和端口號，這些參數(shù)都是事先配置好的)，然后GPRS DTU登陸GPRS網(wǎng)絡，進行GPRS PPP撥號.撥號成功后，GPRS DTU將獲得一個由移動隨機分配的內部IP地址.此時，GPRS DTU處于移動內網(wǎng)中，而且其內網(wǎng)IP地址通常是不固定的，隨著每次撥號而變化.因此，只能由GPRS DTU主動連接監(jiān)控中心，而不能由監(jiān)控中心主動連接GPRS DTU.這就要求監(jiān)控中心具備固定的公網(wǎng)IP地址或固定的域名.用主控調度中心的公網(wǎng)IP地址或固定的域名作為參數(shù)存儲在GPRS DTU內，以便GPRS DTU一旦上電撥號成功，就可以主動連接到監(jiān)控中心.

2.4 數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)與GPRS DTU通信的實現(xiàn)

監(jiān)控中心運行監(jiān)控系統(tǒng)，上位機Delphi通信程序與GPRS DTU之間通信的實現(xiàn)采用Socket套接字編程，下位機采集到的數(shù)據(jù)上傳在網(wǎng)絡上，發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)都通過Socket接口實現(xiàn)，Winsocket庫函數(shù)都包含在DLL動態(tài)鏈接庫中，動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)網(wǎng)絡應用程序和TCP/IP協(xié)議的通信.Socket實際在計算機中提供了一個通信端口，通過這個端口可以實現(xiàn)與計算機通信.Inprise在Delphi中對Windows socket進行了有效的封裝，使得編寫網(wǎng)絡應用程序更加方便.Delphi界面將來自GPRS DTU的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)接受緩沖區(qū)，通過調用動態(tài)鏈接庫DLL將接受到的數(shù)據(jù)放入Delphi界面的指定位置，實現(xiàn)船舶設備無線監(jiān)控［8-10］.GPRS DTU通信模塊與監(jiān)控中心通信程序流程圖如圖4所示.

圖4 GPRS DTU通信模塊與監(jiān)控中心通信程序流程圖Fig.4 The communication program flowchart of GPRS DTU communication module and monitoring center

3 實驗研究

本文通過基于Delphi的太陽能游覽船舶無線監(jiān)控管理系統(tǒng)研發(fā)實驗，搭建太陽能游覽船舶實驗平臺，完成了太陽能游覽船舶無線監(jiān)控管理系統(tǒng)的整體設計，實驗證明了基于Delphi的太陽能游覽船舶無線監(jiān)控管理系統(tǒng)能實現(xiàn)船舶的信息化管理.設備實時監(jiān)控與報警狀態(tài)顯示如圖5所示.

操作員通過使用正確的用戶名和密碼才能訪問無線監(jiān)控管理系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)使用的安全性.船舶登錄狀態(tài)界面，通過設置端口號和啟動服務實現(xiàn)監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的無線通信，并將監(jiān)測到的船舶狀態(tài) (DTU ID號、登錄時間、登錄狀態(tài)等)顯示在監(jiān)控界面中，方便用戶觀察監(jiān)控船舶信息.設備實時監(jiān)控與報警狀態(tài)圖，直觀地顯示了監(jiān)控中心所監(jiān)控的設備數(shù)據(jù)信息和設備運行狀態(tài)，必要時可進行報警.

圖5 設備實時監(jiān)控與報警狀態(tài)圖Fig.5 The variational diagram of real-time monitoring and alarm of equipments

4 結論

基于Delphi的太陽能游覽船舶無線監(jiān)控管理系統(tǒng)，能夠方便岸上管理人員遠程監(jiān)控太陽能游覽船舶各種設備的運行狀況，減少駕駛人員的工作量，也節(jié)約了維護船舶設備的成本，提高了駕駛人員的工作效率.實踐證明，對太陽能游覽船舶運行設備的實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，能夠提高船舶設備的運行安全，將太陽能游覽船舶的售后維修變?yōu)橹鲃泳S護，能夠提前預警，減少船舶維修成本，提高船舶使用效率.該系統(tǒng)實現(xiàn)了太陽能游覽船舶管理的安全化、智能化、經濟化.

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