李衛(wèi)強，董良雄，嚴(yán)聞奇，楊雨濱

（浙江海洋學(xué)院海運與港航建筑工程學(xué)院，浙江舟山 316000）

0 引言

在船舶機艙管理中，為了有效地解決對液艙的多方位監(jiān)控，可通過手持的LCD數(shù)據(jù)顯示裝置，實時液艙內(nèi)液位高度、溫度、液體密度、油艙表面燃?xì)饷芏鹊戎匾獢?shù)據(jù)。在加油現(xiàn)場，值班人員既要在機艙外及時控制加油速度和油泵開關(guān)，又需要及時掌握油艙液位變化情況，但在目前的船舶設(shè)計中，都不可能在加油現(xiàn)場布置液位監(jiān)測裝置，現(xiàn)在一般都是由多人分別對油艙液位監(jiān)控監(jiān)測和相應(yīng)的加油操作控制，加油的準(zhǔn)確性較大程度依賴人員之間的信息的傳遞與交流。因此，本設(shè)計從船舶液艙數(shù)據(jù)采集分析和傳送入手，通過借鑒其他藍(lán)牙產(chǎn)品和軟件開發(fā)的設(shè)計，將數(shù)據(jù)采集裝置、藍(lán)牙等硬件和手持移動設(shè)備結(jié)合在一起，開發(fā)了一套基于藍(lán)牙4.0傳輸數(shù)據(jù)的液艙數(shù)據(jù)實時采集和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)以輔助液艙監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控，可提高輪機管理人員對液艙艙的實時嚴(yán)控，最大限度地減少了機艙安全管理的盲區(qū)。

1 遙測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在供油現(xiàn)場進(jìn)行加油操作時，要求無線傳輸設(shè)備必須具備高穩(wěn)定性的特點。本設(shè)計以單片機和RF-BM-S01低功耗藍(lán)牙4.0模塊為主，包含前端數(shù)據(jù)采集、傳送部分以及末端的數(shù)據(jù)接受部分等裝置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般應(yīng)包括接收裝置，傳感器（以及調(diào)理電路），驅(qū)動電路三個主要的部分。傳感器的主要功能是液位參數(shù)或狀態(tài)，它將非電量的有關(guān)參數(shù)或狀態(tài)轉(zhuǎn)化成電信號，然后不失真地將有關(guān)信息提供給控制單元?？刂茊卧蓡纹瑱C、外圍接口電路等硬件組成，主要完成信息的采集、處理、傳輸和時序的控制。本設(shè)計的前端數(shù)據(jù)采集部分由位于現(xiàn)場的HV201數(shù)字型液位傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、串口通信等構(gòu)成,傳送部分主要利用自帶微帶天線的藍(lán)牙4.0模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸；末端通過藍(lán)牙4.0模塊、串口通信傳輸、手持LCD液晶顯示。小型移動設(shè)備可以根據(jù)指令來控制數(shù)據(jù)的獲取。在本系統(tǒng)中，可以采集液艙液位、溫度、及鍋爐液位等信號，在手持的液晶顯示器上顯示，具有良好的人機“對話界面”，還可以通過與上位機的通訊技術(shù)，實現(xiàn)在機艙集中監(jiān)控臺上實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，提高液艙運行管理及故障處理能力。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖所示。

2 遙測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)字型液位傳感器

數(shù)據(jù)采集通常有兩種，一種是從數(shù)據(jù)源收集、識別和選取數(shù)據(jù)的過程。另一種是數(shù)字化、電子掃描系統(tǒng)的記錄過程以及內(nèi)容和屬性的編碼過程。本設(shè)計采用HV201數(shù)字型液位傳感器。它是一種代碼型傳感器，電氣部分輸出的信號是數(shù)字代碼，每一個碼道的高低電平狀態(tài)（高電平代碼為“1”，低電平代碼為“0”）隨機械部分輸入量的變化而變化，HV201脈沖數(shù)字型液位傳感有四個碼道，每兩個碼道占用一個字節(jié)。而其機械部分是一種線性電阻和磁鐵組合成的一種傳感器，當(dāng)液位發(fā)生變化時，套在磁體上的浮子會上下移動與磁體一起產(chǎn)生信號，它具有連續(xù)測量液位的特點，其機械部分的安裝形式如圖所示。

HV201脈沖數(shù)字型液位傳感器的電氣部分由信號鑒別、編碼整形、譯碼鎖存和 BCD碼輸出組成，根據(jù)液位不同高度而導(dǎo)致磁體與浮子的不同組合，HV201數(shù)字型液位傳感器輸出“0”到“9”十個BCD碼，其中A、B、C、D引腳分別于單片機的I/O口相連接。

2.2 發(fā)送與接收模塊的設(shè)計

本設(shè)計采用UART方式在藍(lán)牙設(shè)備和移動設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。UART具有通信可靠的特點，這對于復(fù)雜的機艙環(huán)境是非常重要的；由于采用TI的CC2540作為核心處理器，使得RF-BM-S01藍(lán)牙模塊具有低功耗的的特點，2 MHz 間隙能更好地防止相鄰頻道的干擾，寬輸出功率調(diào)節(jié)(-23 dBm～4 dBm)，-93 dBm高增益接收靈敏度。鑒于機艙環(huán)境惡劣及 BLE特性特點，RF-BM-S01藍(lán)牙模塊首當(dāng)其選。同時相對 WIFI，Bluetooth 2.0 等無線技術(shù)，有著能耗低，連接迅速，通訊距離更遠(yuǎn)等優(yōu)勢。

圖2 HV201液位傳感器機械部分

RF-BM-S01低功耗藍(lán)牙模塊的引腳如圖3，本設(shè)計第1引腳即BRTS引腳（作為數(shù)據(jù)發(fā)送請求用來喚醒模塊），低電平時：主機有數(shù)據(jù)發(fā)送，模塊將等待接收來自主機的數(shù)據(jù),此時模塊不睡眠；高電平時：主機無數(shù)據(jù)發(fā)送，或主機數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后）接單片機的中斷INT0（中斷），3引腳即藍(lán)牙的TX（發(fā)送）接單片機的RX，4引腳即藍(lán)牙模塊的RX（接收）接單片機的TX，5引腳接地，6引腳接3.3 V電源。

圖3 RF-BM-S01藍(lán)牙模塊引腳圖

3 測控軟件設(shè)計

主機與藍(lán)牙模塊用指令--應(yīng)答方式進(jìn)行通信，當(dāng)油艙液位發(fā)生變化時，傳感器會感受到這種變化，并將物理信號轉(zhuǎn)化為微弱的電信號并發(fā)送給單片機主控器，且當(dāng)小型移動設(shè)備向藍(lán)牙發(fā)送指令要求通信后，建立連接接收數(shù)據(jù)，否則等待；主機控制器執(zhí)行某一指令后，大多數(shù)情況下會返回給主機一個指令完成事件分組，該分組攜帶有指令完成的信息。單片機和藍(lán)牙模塊間通信的過程是通過鍵入HCI指令，觀察收到的HCI事件。當(dāng)兩個藍(lán)牙模塊建立鏈路成功后，就可以按照藍(lán)牙規(guī)范規(guī)定的HCI數(shù)據(jù)包格式收發(fā)數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)流程如圖所示。

本設(shè)計的軟件主要包括兩部分：信號采集和藍(lán)牙通信，采用Keil C51設(shè)計軟件，它是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil則為其提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)，發(fā)送部分藍(lán)牙4.0模塊部分程序如下：

圖4 結(jié)構(gòu)流程圖

此外在軟件方面還進(jìn)行了去抖動和可靠性設(shè)計，它應(yīng)用方便，不需要增加成本，是經(jīng)常使用的一種可靠性設(shè)計的方法。設(shè)計采用常用的狀態(tài)檢測的方式控制外部 I/O口的輸出和看門狗技術(shù)。

1)狀態(tài)檢測的方式控制外部I/O口的輸出：在 HV201液位傳感器采集到液位變化的信號后發(fā)送至下位機，而下位機并不立即執(zhí)行與藍(lán)牙4.0的串口通信，而是繼續(xù)執(zhí)行接收HV201液位傳感器的信號，在執(zhí)行了已設(shè)次數(shù)的接收信號后，確保液艙液位是真正的升高或是下降，則下位機執(zhí)行與藍(lán)牙4.0的串行通信，由于下位機掃描時間只有幾百毫秒，所以執(zhí)行的效率非常高。這樣，便可去除因船舶在航行時晃動而導(dǎo)致的液艙液位的不穩(wěn)定和偶然因素。

2)看門狗技術(shù)：通過計數(shù)器對下位機主控器的運行進(jìn)行監(jiān)督，若下位機系統(tǒng)運行正常，則通過程序指令定時對計數(shù)器清零；若下位機系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障，則計數(shù)器會溢出，而一旦溢出，則下位機必須重新執(zhí)行，并且不會改變內(nèi)部的RAM，直到下位機運行正常。

4 系統(tǒng)安全性能設(shè)計

為提高裝置的可靠性，就必須對來自裝置本身故障進(jìn)行有效的識別，本裝置要求具備自檢及傳感器斷線、短路等在線診斷功能。

傳感器輸入通道不正常時，采集點的電壓可能會出現(xiàn)0 V～5 V之間的某個值，而數(shù)據(jù)采集部分自檢結(jié)果會顯示正常。針對這種情況采用了傳感器短路斷路自檢，當(dāng)執(zhí)行自檢時。

鑒于船舶在加油時存在一定的搖晃，可能會降低液位測量的準(zhǔn)確度。經(jīng)過試驗，由下位機內(nèi)部的組成系統(tǒng)所產(chǎn)生的內(nèi)部干擾，主要是由于HV201液位傳感器電氣部分輸出線之間的串?dāng)_、數(shù)字信號與模擬信號及交流地的影響、相鄰 I/O口的耦合等因素造成的，針對這些干擾，可通過硬件設(shè)計予以消除：采用0.1μF的瓷片電容或獨石電容，這些電容對類似“毛刺”的干擾信號特別有效；印刷線路板的設(shè)計要防干擾，PCB板的大小要合適，又要考慮經(jīng)濟型，盡量把同一性質(zhì)的電氣元件放置在一個模塊；采用更加可靠地電子元件，由于本設(shè)計的電路工作頻率不高，可采用CMOS電路，它比TTL電路有更強的抗干擾能力。

5 結(jié)論

本設(shè)計選取HV201數(shù)字型液位傳感器并解釋其工作原理，說明了在液位遙測的基礎(chǔ)上，監(jiān)測船舶燃油艙液位的變化是可行的。將藍(lán)牙4.0模塊用于液艙液位的實時監(jiān)測并與手持移動LCD設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的完美配合可提供更好的便攜性及操控性，提高了船舶自動化程度，極大限度地減少了管理的盲區(qū)。可進(jìn)行各艙內(nèi)液體的液位、液體溫度等的監(jiān)測和顯示，有效改善船員的工作環(huán)境。具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性能可靠等優(yōu)點，適合各類船舶。試驗也證明，該系統(tǒng)具有良好的數(shù)據(jù)傳輸精度和響應(yīng)特性，將該系統(tǒng)運用到油輪以及貨艙等安全要求較高的船舶上，能預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生甚至等安全事故，具有一定的現(xiàn)實意義。

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