船用多功能无线传感器网络的设计与应用

万 滔

(长江航道局，湖北 武汉 430010)

船用多功能无线传感器网络的设计与应用

万 滔

(长江航道局，湖北 武汉 430010)

针对长江航道局数字机务的改造需求，提出并设计了一种船用多功能传感器网络系统。该传感器网络系统由多个舱室基站以及多种无线功能节点构成，其不仅可以无线采集船舶设备的状态信息，而且可以完成船舶人员的动态定位监测。各个舱室基站之间通过RS485通信总线实现信息互联，克服了船体金属结构对无线信号的屏蔽效应。试验结果表明，所设计多功能船舶传感器网络可以在相关航道维护船舶上推广应用。

船舶；数字机务；无线传感器网络；自动监测；设备监测；人员监测

0 引言

无线传感器网络的概念一经提出，立即得到了广大研究人员的充分关注，并且在很多行业得到了应用[1]。但是，无线传感器网络技术在船舶领域的应用极少，主要原因是绝大多数船舶均为金属结构，其对于无线信号具有屏蔽效应，同时，发电机、电动机等船载设备会产生大量的电磁干扰，因此，关于无线传感器网络技术在船舶领域的研究报道相当有限。但是，船舶无线传感器网络可以有效降低船舶电缆敷设的工作量，极大提高船舶传感器布设的灵活性，非常适用于船舶的信息化改造。

长江航道局近年致力于数字航道建设，数字机务作为数字航道建设的重要组成部分，其主要包括所属航道维护船舶(航标船、测量船、巡检快艇)以及航道疏浚船舶的机务信息化、数字化和网络化等。通常情况下，机务信息化的数据来源主要为船端所配备的机舱报警系统。

目前长江航道局绝大部分在役船舶所配备机舱报警系统数据较少，有的船舶还没有配置机舱报警系统，因此给数字机务项目的实施带来了困难，面临着大量的船舶机舱报警系统改造需求。同时，长江航道局所属船舶对船舶人员的管理多采用静态模式，缺乏动态管理手段。

为减少改造工程所涉电缆的敷设量以及提高传感器布设的灵活性，同时为加强对船舶人员的动态管理，本文设计了一款多功能船用传感器网络，既可以和现有的船舶机舱报警系统相结合，完成船舶设备信息的实时采集，又可以动态监测船舶人员定位信息。

1 系统设计

1.1 总体设计

系统总体架构如图1所示。系统总体架构包括若干舱室基站，机舱报警系统上位机和人员监测系统上位机等，它们之间采用RS485总线和MODBUS通信协议实现信息互联。每个舱室基站相互独立，分配唯一的MODBUS从站地址。舱室基站可以自由布置于船舶任何舱室，如驾驶室、集控室、机舱、会议室、餐厅、船员舱等，同时舱室基站的数量可以随着船舶改造需求动态设置。机舱报警上位机作为MODBUS主站，定时发送MODBUS查询命令，采集每个舱室基站的设备信息和人员定位信息。人员监测上位机则负责监听RS485通信总线的通信信息，获取人员定位信息。

图1 系统总体架构框图

每个舱室基站均支持2种类型的节点，分别是定位节点和设备节点。舱室的节点分布如图2所示。其中，定位节点用于船舶人员定位信息的动态监测，由船舶人员携带；设备节点则负责设备运行状态信息和报警数据的采集，支持模拟量、数字量以及开关量等。

图2 舱室节点分布图

1.2 传感器节点硬件设计

设备节点和定位节点的架构类似，如图3所示。其中，主控芯片均采用Atmel公司的AVR RISC结构8位单片机-ATmega128 L，其最高速度可以达到8 MHz。射频芯片均采用Chipcon/TI公司推出的射频器件-CC2420，其符合2.4 GHz、IEEE 802.15.4通信标准，支持的数据传输率能够达到250 kbps，支持多点对多点的快速组网。通信天线则选用2.4 GHz工业级高频橡胶天线。同时，所有设备节点和定位节点均扩展了I2C总线接口、CMOS电平接口、ISP、JTAG接口、蜂鸣器以及LED灯。

对于设备节点，扩展了相应的模拟量和开关量接口，用于设备传感器模拟量信号以及开关量信号的采集。为保证设备节点免受外部信号的干扰，所涉模拟量信号均采用电磁隔离模拟芯片采集，所涉开关量信号均采用光电隔离芯片采集。

对于舱室基站，扩展了RS485通信接口，用于与机舱报警系统上位机以及人员监测系统上位机的数据通信。

图3 传感器节点架构

改造用的设备节点所用电源均取自船用24 V直流电源，配有相应的DC/DC电源转换模块，定位节点则采用2节5号电池供电。同时，在节点供电模块中加入自锁开关，以方便接通和切断节点供电电源。

1.3 传感器节点软件设计

基于美国加州大学伯克利分校的开源传感器网络操作系统TinyOS2.1.2版本完成了改造项目所涉的设备节点、定位节点以及舱室基站的软件设计工作，主要包括TinyOS操作系统移植、设备信息采集驱动程序设计以及应用程序设计等工作。

其中，设备信息采集驱动程序设计主要是面向设备节点。驱动架构为3层结构，分别为硬件接口层(HIL)、硬件适配层(HAL)以及硬件表示层(HPL)。HPL层涉及底层硬件，目前主要支持8路4～20 ma模拟量采集、8路开关量采集以及数字温度传感器18b20。

设备节点、定位节点以及舱室基站所对应的应用程序功能差别较大，但是均由顶层配件、核心处理模块和其他组件等组成。每个应用程序仅对应一个顶层模块，核心处理模块则与顶层模块相对应，并根据程序功能要求选择组件。

舱室基站支持无线信号收发以及与上位机之间RS485总线通信。它可以接收设备节点、定位节点信息，如传感类型消息、RSSI类型消息等，同时可以转发机舱报警上位机通过RS485总线向设备节点和定位节点所发送命令消息，如系统配置消息和节点呼叫消息等。

定位节点的主要功能为周期性获取和发送RSSI值，系统依据RSSI值获取节点的定位信息。定位所用的RSSI消息结构为：

typedef nx_struct position_msg{

nx_uint16_t xuhao_position;

nx_uint16_t id;

nx_uint16_t rssi;

} rssi_ msg_t;

其中，xuhao_position表示定位节点RSSI消息包的序号，id表示定位节点序号。

设备节点的主要功能为周期性采集和发送设备传感器模拟量和开关量消息，消息结构为：

typedef nx_struct device_msg {

nx_uint16_t xuhao_device;

nx_uint16_t error;

nx_uint16_t data;

} radio_sense_msg_t;其中，xuhao_device表示设备节点发送消息包的序号，error表示传感器数据是否有效，data表示设备传感器数据。

2 部署与测试

将所设计船用多功能传感器网络部署于需要改造的长江航道局南京航道局所属某40 m级航标船。

机舱报警上位机位于机舱集控室，人员监控主机位于驾驶控制台；分别在船舶机舱、会议室、驾控台、船舶左舷、右舷等6个位置部署舱室基站，基站与上位机之间通过屏蔽穿舱电缆互联；在船舶机舱部署主机设备节点、油位设备节点、配电设备节点、船舶吃水设备节点等，在舵机舱部署舵角设备节点。主机设备节点主要采集船舶左、右主机的转速、冷却水水温以及润滑油压力等，油位设备节点主要采集船舶左、右油舱的油位等，配电设备节点主要采集电站电压、电站电流、岸电电压、岸电电流等，船舶吃水设备则主要采集船舶吃水深度；定位节点3个，分别由实验人员随身携带。

分别在船舶主机、发电机等主要设备开启和停止状态，船舶航行状态和停止状态对系统进行了测试，所设计多功能传感器网络均可以有效完成设备运行参数的采集以及人员有效定位。同时，对系统进行了丢包率测试，测试结果表明在主要设备开启状态下，船舶机舱位置的节点通信丢包率达到0.08%，较停止状态的丢包率0.02%稍有增加，但是不影响系统使用。船舶是否处于航行状态对系统丢包率没有影响。

3 结语

本文所设计船用多功能传感器网络主要包括舱室基站、设备节点和定位节点等，设备节点可以完成船舶设备信息的实时采集，并将信息传输给船舶机舱报警系统，同时通过人员监测上位机可以动态监测船舶人员定位信息。在相关航道维护船舶上系统测试结果良好，为长江航道局船舶信息化改造提供了有益的尝试。

[1] 孙利民. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社, 2005.

2014-12-20

万滔(1967—)，男，高级工程师，主要研究方向为船舶工程及其管理。

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