王 燕，鄭磊琦

(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河南新鄉(xiāng) 453002)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、全球貿(mào)易量的不斷增大，海上運(yùn)輸貨物的船舶數(shù)量不斷增多，船舶排放的生活污水、含油污水、艙底水等嚴(yán)重威脅了海洋生態(tài)環(huán)境[1]。根據(jù)相關(guān)國際法規(guī)，排放到海里的污水中含油量不能超過15 ppm，對(duì)船舶排污的監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)其排放的含油污水量是否超標(biāo)。傳統(tǒng)的船用排污監(jiān)測(cè)方法實(shí)時(shí)性差、檢測(cè)精度低達(dá)不到及時(shí)預(yù)警的目的。因此本文設(shè)計(jì)了一套船舶排污實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其主要是利用多個(gè)傳感器組分別檢測(cè)船舶的船速、流量以及排放的含油污水濃度等信息，經(jīng)相關(guān)算法計(jì)算處理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制含油污水的排放，當(dāng)排放的含油污水超標(biāo)時(shí)能及時(shí)報(bào)警[2]。該排污系統(tǒng)還具有本地存儲(chǔ)功能和4G傳輸功能，可以把排放污水的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳給相關(guān)部門，當(dāng)4G信號(hào)不好時(shí)可實(shí)現(xiàn)本地保存數(shù)據(jù)，待4G信號(hào)恢復(fù)時(shí)繼續(xù)上傳相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶排污過程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)的船舶排污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶排污全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警，預(yù)防船舶超標(biāo)排放含油污水，起到保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境的目的[3]。

1 船舶排污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

船舶排污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是監(jiān)控其排放的含油洗艙水、艙底污水以及含油壓載水中的含油量是否超標(biāo)，其利用多個(gè)傳感器組實(shí)時(shí)測(cè)量船舶的速度、含油污水的濃度、流量等數(shù)據(jù)，經(jīng)微控制器分析處理得出其污水的排放總量以及瞬時(shí)排放率等[4]。其中對(duì)含油污水的濃度監(jiān)測(cè)尤為重要，其利用取樣系統(tǒng)從排放污水的管道中抽取樣本送入相應(yīng)油分濃度檢測(cè)單元分析處理，最后將處理值送入微控制器中進(jìn)行深度解析，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 船舶排污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

2 船舶排污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

船舶排污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由系統(tǒng)控制單元、傳感器數(shù)據(jù)采集電路、報(bào)警電路以及數(shù)據(jù)傳輸模塊組成[5]。其中船速、流量、油分濃度傳感器輸出的4～20 mA電流信號(hào)經(jīng)相關(guān)電路轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號(hào)，再經(jīng)過AM3352內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入CPU中計(jì)算處理。系統(tǒng)輸出的開關(guān)量信號(hào)用來控制聲光報(bào)警系統(tǒng)、含油污水閥門以及取樣池閥門的開閉等。此外，系統(tǒng)可將處理結(jié)果通過RS232串口的方式發(fā)送到駕駛室實(shí)時(shí)顯示，還可以將結(jié)果通過4G網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶污水排放的實(shí)時(shí)管控，系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 含油污水濃度檢測(cè)電路

本系統(tǒng)利用油分濃度計(jì)來檢測(cè)船舶排放的含油污水中油分的濃度，其基本原理是利用光學(xué)濁度法[6]。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，避免不同位置油分濃度不均以及含油顆粒細(xì)化不均帶來的誤差，在測(cè)量之前需要將采集到的含油污水進(jìn)行乳化處理后再送入取樣池，這樣就可以保證油分濃度計(jì)采集到的信號(hào)的準(zhǔn)確性。由于油分濃度傳感器是將采集到的油分濃度轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流輸出，本系統(tǒng)采用采樣電阻R19和運(yùn)算放大器U8結(jié)合的方式將4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為1～5 V的電壓信號(hào)，再由單片機(jī)內(nèi)部的A/D采集，進(jìn)而計(jì)算得到含油污水中油分的濃度。為了保證測(cè)量的精確性，每次測(cè)量后都需要對(duì)取樣池和油分濃度傳感器進(jìn)行清洗，排除上次測(cè)量的影響。系統(tǒng)采用時(shí)間定時(shí)器控制，每5 min啟動(dòng)沖洗泵對(duì)取樣池和油分濃度計(jì)進(jìn)行清洗。實(shí)際電路圖如圖3所示。

圖3 油分濃度采集電路

2.2 船速和流量信號(hào)采集電路

由于本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要計(jì)算瞬時(shí)排放率，因此需要知道船速信號(hào)[7]。船速信號(hào)是由船舶本身提供的，即船舶航速信號(hào)，其一般是對(duì)水速度或?qū)Φ厮俣?，這取決于船速安裝的速度測(cè)量裝置。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求船舶速度信號(hào)應(yīng)該從船舶速度指示裝置通過轉(zhuǎn)發(fā)器信號(hào)獲得，且獲得的船舶速度信號(hào)為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。

流量信號(hào)是通過孔板式流量計(jì)測(cè)得的，其基本原理是基于流體的機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的原理，孔板式流量計(jì)由節(jié)流件和差壓變送器和流量顯示儀組成，廣泛應(yīng)用于液體、氣體等流量的測(cè)量，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)[8]。把測(cè)量排放流量的流量計(jì)安裝在排放管路的垂直位置，由孔板式流量計(jì)的測(cè)量原理可知，測(cè)量管道中的流體流量正比于通過孔板后的流體壓降的平方根，因此，通過壓電轉(zhuǎn)換器測(cè)出孔板前后的壓力差，將壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的4～20 mA電流信號(hào)，便可以知道排放的流量值。最后通過相關(guān)處理電路把4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，再由單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采集，把此信號(hào)在單片機(jī)內(nèi)部處理計(jì)算得到排油總量和瞬時(shí)排放率，I-V轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 流量、船速信號(hào)采集電路

2.3 RS232串口傳輸電路

系統(tǒng)采用RS232串口形式將監(jiān)測(cè)到的含油污水的濃度信息傳到駕駛室的顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，便于船員及時(shí)了解排放的油污水是否超標(biāo)[9]。RS232是現(xiàn)在主流的串行通信接口之一，其與TTL電平不兼容，因此需要專用的電平轉(zhuǎn)換芯片，傳輸速率相對(duì)其他通信接口較低，且傳輸距離相對(duì)較近，但其可通過DB9接口直接與顯示器連接，方便快捷不需要其他轉(zhuǎn)換裝置。RS232通訊電路圖如圖5所示。

圖5 RS232通訊電路

2.4 4G傳輸電路

4G傳輸電路的作用是將采集到的排放的含油污水的信息發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心，便于對(duì)各個(gè)船舶排放情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。4G無線傳輸模塊選用的是EC20EA-256-STD模塊，采用極小體積的SMT封裝形式滿足小型終端產(chǎn)品對(duì)空間的要求，其采用的模塊化的封裝形式具有抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用LTE 3GPP Rel.9技術(shù)，支持最大下行速率100 Mbit/s和最大上行速率50 Mbit/s，同時(shí)在封裝上兼容移遠(yuǎn)通信的UMTS/HSPA+UC20模塊，實(shí)現(xiàn)了從3G網(wǎng)絡(luò)向4G網(wǎng)絡(luò)的平滑過渡。其與AM3352通過Sub通訊的方式連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，需要外接SIM卡才可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的4G遠(yuǎn)程傳輸，4G傳輸電路如圖6所示。

圖6 4G傳輸電路

2.5 AM3352外圍電路

系統(tǒng)采用ARM8 AM3352控制器結(jié)合Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)含油污水濃度的采集、處理、存儲(chǔ)以及傳輸。AM3352的外圍電路包括4 GB的DDR3芯片MT41K256M16HA以及2 GB的FLASH芯片MEN_MNAND[10]。其中DDR3主要是運(yùn)行Linux系統(tǒng)以及程序設(shè)置的變量，F(xiàn)LASH主要是用來存儲(chǔ)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，當(dāng)4G信號(hào)較弱時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的本地保存，當(dāng)4G信號(hào)恢復(fù)時(shí)再向外發(fā)送，AM3352外圍電路如圖7所示。

圖7 AM335外圍電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，用C語言編寫，主要包括傳感器組數(shù)據(jù)采集處理程序、數(shù)據(jù)傳輸程序、模擬量輸出程序以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序等。系統(tǒng)上電后，進(jìn)入主程序，相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化操作，各個(gè)傳感器開始上電自檢。待監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到數(shù)據(jù)之后，通過A/D轉(zhuǎn)換器采樣處理，當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的含油污水濃度超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)處理。此外系統(tǒng)還會(huì)將船舶的排放數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)以及傳輸，把每次排放的數(shù)據(jù)一方面通過串口通訊方式發(fā)送到司機(jī)室實(shí)時(shí)顯示，另一方面通過4G網(wǎng)絡(luò)形式把數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心，便于相關(guān)工作人員實(shí)時(shí)掌握各個(gè)船舶的排放情況，系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理

4.1 實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試

首先在實(shí)驗(yàn)室條件下利用電流源輸出的4～20 mA信號(hào)模擬油分濃度信號(hào)、流量信號(hào)以及船速信號(hào)。已知油分濃度傳感器的量程為0～100 ppm，船速測(cè)量傳感器量程為0～30 kn，流量計(jì)量程為0～40 m3/h，其輸出的信號(hào)均為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，在實(shí)際測(cè)量時(shí)就是利用電流源輸出的4～20 mA來替代傳感器輸出的信號(hào)，根據(jù)傳感器輸出的電流信號(hào)與量程的關(guān)系，計(jì)算出輸出的電流與量程的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再把系統(tǒng)測(cè)量的值與計(jì)算得到的值進(jìn)行比較，以此來驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

表1 油分濃度測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 流量測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 船速測(cè)試數(shù)據(jù)

本文通過電流源輸入來模擬油分濃度、流量、船速的輸入信號(hào)，通過計(jì)算得出傳感器輸出的4～20 mA信號(hào)與傳感器量程的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量得到的值與理論計(jì)算的值進(jìn)行比較。由上述3組數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果可知，系統(tǒng)測(cè)量值與理論計(jì)算值的誤差在5%范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

4.2 實(shí)際環(huán)境中測(cè)試

由上述實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性以及采集的準(zhǔn)確性，接下來將系統(tǒng)安裝到船舶上驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性以及采集的精度。利用GQS-186型油分濃度計(jì)以及船舶駕駛室中船舶測(cè)速儀作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，將其采集到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，每0.5 h記錄1次數(shù)據(jù)，以此來驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性及采集的準(zhǔn)確性。測(cè)試數(shù)據(jù)如表4、表5所示。

表4 油分濃度測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

表5 船速測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

由表4、表5實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)對(duì)船速以及船舶排放的油分濃度的測(cè)量誤差小于6%，且對(duì)船速的測(cè)量，隨著船速的提高，誤差逐漸下降。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度以及良好的穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種船舶排污遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，其利用多個(gè)傳感器組實(shí)時(shí)測(cè)量船舶排污過程中的多個(gè)參數(shù)，計(jì)算得到船舶排放的含油污水的瞬時(shí)率以及排污總量，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其排放是否超標(biāo)。當(dāng)排放超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置，提醒工作人員及時(shí)關(guān)閉閥門。此外，該監(jiān)控系統(tǒng)還可以通過4G網(wǎng)絡(luò)的方式把排放的污水?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心，便于實(shí)時(shí)掌控各個(gè)船舶的排污情況。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性以及實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。