基于短距离无线通信技术的船用锅炉液位辅助监测系统的设计与实现

李 强，董良雄，李卫强

(浙江海洋学院，浙江 舟山 316000)

基于短距离无线通信技术的船用锅炉液位辅助监测系统的设计与实现

李 强，董良雄，李卫强

(浙江海洋学院，浙江 舟山 316000)

文章对于船用锅炉用汽量增大时出现的高、低位液位传感器监测“失灵”问题，在研究了船舶锅炉启动以及用汽量过大时锅筒内水位表面的物理特点后，对船用锅炉液位监测系统进行了总结，开发了一套基于短距离无线通信技术的船用锅炉液位辅助监测系统，设计在机舱局域网范围内对锅炉液位进行实时监测的方式。系统在锅炉液位监测上进行了有效的运用和试验，试验结果表明，该设计能实时监测锅炉液位，设计实时性强，准确度高，具有良好的可行性和现实意义。

船用锅炉；液位监测；局域网；移动设备

锅炉是船舶动力装置最早的自动控制设备，它可以自动控制水位，自动控制蒸汽压力，控制锅炉点火，控制燃烧时序和自动安全保护。在对机舱锅炉液位监测系统中，传统的船用锅炉液位监测与报警系统的不足之处是通过观察镜观察到锅炉液位会出现假象，甚至当连通管路的滤器脏堵时，观察镜更不可信；当前船舶锅炉是高温高压水管锅炉，这样的锅炉使用少量的水就能产生很大量的蒸汽，如果蒸汽需求量突然增加，锅筒内的压力就会下降，锅筒内处于高压下的一些水就会“闪发”成蒸汽，这些气泡会使锅筒内水位升高。这种出现的虚水位，通过伺服电动机测出的不真实的高低水位，锅炉内部的液体量的降低也增加了锅炉内的蒸汽量，从而产生了虚假液位，如果监测系统不能及时发现，将会导致船舶不能正常工作，甚至发生干烧等严重后果。因此提出一种解决锅炉液位可靠监测的系统是非常有必要的，以确保船舶安全、准时抵港。这次设计从锅炉液位数据采集分析和传送途径入手，通过参考其他局域网产品和数据软件开发的设计[1]，将数据收集装置、无线网等硬件和移动设备联系在一起，短距离无线通信技术的船用锅炉液位辅助监测系统[2]，以辅助对锅炉监控，从而最大限度地提高了对锅炉及机舱的安全管理。

1 监测思路

船舶锅炉监测是轮机自动化的一个相当重要的内容，通过对锅炉液位的实时监测不仅改善了轮机管理人员的工作环境，减轻其劳动强度，及时发现锅炉的运行故障，而且为实现无人机舱打好基础。因而对船舶锅炉液位监测的设备要求更高。本设计从锅炉数据采集分析和传送入手，通过借鉴其他蓝牙产品和软件开发的设计，将数据采集装置、蓝牙等硬件和移动液晶显示设备结合在一起[3]，开发了一套基于蓝牙4.0传输液位数据的锅炉液位实时采集、数据分析和高品质传送的船用锅炉液位辅助监测系统，以准确完成对锅炉液位数据的实时监控。

系统结构包含采集锅筒内液位信息的HV201数字型传感器、锁存器、下位机主控器、蓝牙4.0数据分析和发射模块；蓝牙4.0模块数据处理和接收模块、通信电平转换及无线设备接收端[4]。船舶液位监测系统的流程图如图1所示。

图1 船舶锅炉液位监测流程图

2 硬件设计

2.1 数据采集系统

数据采集通常有2种途径，1种是通对源数据的采集，甄别和选取。另1种是通过轮机自动化和电子信息技术记录数据，使液位信息以直观的数字信息显示出来。船舶锅炉液位信息数据采集系统的设计采用HV201数字温度传感器,该传感器具有抗干扰能力强、响应快、性价比高等优点。

HV201为BCD码液位传感器，它是测量、控制液体自动化生产的重要组件，它采用磁性浮子在液体平面上与传感器一起产生信号，安装形式如图2所示。

图2 安装形式图

磁体机械部分结构如图3所示。

图3 磁体机械部分结构图

HV201数字传感器除了机械部分外，还有电气部分，电气部分由信号鉴别电路、整形电路、编码电路、译码电路、锁存电路、BCD码输出电路等组成，如图4所示。

图4 电气部分图

通过传感器接收到的输入信息可以输出0至9BCD码，输出的数据可锁存至新数据的到来。可直接与各种BCD译码集成电路组成各式数字显示与数字控制仪表。

2.2 数据发送与接收模块的设计

本设计运用UART方式在手持液晶显示设备和蓝牙设备之间传送数据。UART的方式传送通信可靠，对于锅炉运行环境和复杂的机舱环境是相当重要的；由于该设计采用TI的CC2540作为核心处理器[5]，使得RF-BM-S01蓝牙模块具有体积小、功耗低的特点，而且2 MHz 间隙能更好地抵抗相邻频道的干扰，宽输出功率调节(-23～4 dBm)，-93 dBm高增益的接收灵敏度。鉴于机舱环境恶劣、锅炉运行环境恶劣及BLE特性特点，RF-BM-S01蓝牙模块更是作为本设计的首选。同时其相对于WIFI，Bluetooth 2.0 等无线应用技术，该模块具有低能耗、灵敏度高等优点。

3 软件设计

下位机主控器通过锁存及A/D转换与蓝牙4.0模块用指令一一应答方式进行通信，当锅炉液位发生变化时，HV201液位传感器会接收到变化信号，然后通过传感器的锁存程序，A/D转换程序将其液位的改变信号输出为电信号并发送至下位机主控器，当液位没有发生变化时，锁存器将上次传感器所采集到的信息锁存起来，直到有更新后的最新数据输入进来，无线设备接收端通过蓝牙4.0向传感系统发出通信信号，即可建立连接接收数据，否则处于待机状态以节省电量；主控器通过蓝牙等设备接收到指令，一般情况下会输出一个反馈信号给主机控制器，从而进行主控器信号的输入与输出。下位机主控制器和RF-BM-S01蓝牙模块间通信的过程是通过系统键入HCI指令，进而观察收到的HCI事件。当2个蓝牙模块成功建立链路后，通过蓝牙4.0模块规定的数据包格式发送至接收端。其结构流程如图5所示。

图5 结构流程图

本设计的软件主要分为两部分：数据的采集和蓝牙通信。采用Keil C51设计软件的原因，一是C语言在与其他编程语言相比简单易学，二是Keil C51设计软件的研发方案与锅炉液位监测设计系统密切相关，它通过集成开发环境将C编译器、连接器、宏汇编、库管理和仿真调试器等元件组合在一起，进而实现了数据采集的自动化效果。

数据采集系统部分程序如下：

{ float tt;unsigned char a,b;unsigned int temp;

if( HV201_Init() == 0 )

{HV201_Write_Byte(0xcc);

HV201_Write_Byte(0xbe);

a=HV201_Read_Byte();

b=HV201_Read_Byte();

temp = b; temp <<= 8;

temp = temp|a;

if(temp>0xfff)

{flag_temper=1;temp=(～temp)+1;}else

{flag_temper=0; }

tt = temp*0.0625; temp = tt*10+0.5;

蓝牙4.0模块无线发射部分通信软件如下：

{Uart_Init();temp_buffer=Get_temp();

Delay_ms(1000);

while(1)

{ temp_buffer=Get_temp();BRTS=0;

Delay_ms(100);

UartPrintASCII(temp_buffer/100+0X30) ;

UartPrintASCII(temp_buffer%100/10+0X30);

UartPrintASCII(∵);

UartPrintASCII(temp_buffer%10 + 0X30);}}

手持终端蓝牙4.0模块无线接收部分通信软件：

{SCON = 0X50; REN = 1; PCON = 0x00;

TMOD = 0x20; TH1 = 0xFD;

TL1 = 0xFD;TR1=1; ES=0; }

void UartPrintASCII(unsigned char c)

{ TI=0; SBUF=c;

while(TI==0); TI=0; }

void RECEIVE_DATA(void) interrupt 4 using 1

{ if(RI == 1)

{temp = SBUF;RI = 0;}}

4 实验及结果分析

通过实验科了解到锅炉液位监测系统达到了设计时制定的各项指标限制，开发了一套可以在线检测数据、采集数据，微机实时控制，显示和保存数据等多任务的软件包。

根据上述数据特征，本文进行了测试，试验方案为：以待测锅炉的锅筒内淡水为试样，进行静态和动态对比试验，在测试过程中，使锅炉原有的监控系统(即观察镜水位计)和设计的辅助监测系统同时运行，将其各自液位系统下收集到的液位数据以时间标准记录下来，同时用曲线图的方式进行直观的描述，得到的结果如图6所示。

图6 原有监控系统下锅筒水位与手持终端设备接收对比图

在图6中，下部曲线为锅炉原有的监控系统所测得的液位变化数据(人为读数抄送具有间断性)，上部曲线为设计的辅助系统所测得的水位数据，从该图形可以看出辅助系统所测液位较原有监控系统所测液位低。但这种误差可以忽略，因为它对锅炉安全运行以及船舶航行的作用甚微，这就证明了设计的辅助数据采集装置完全符合实际的监测要求。同时，为了更好的提高数据采集和处理的效果，所以在硬件电路中采取了防干扰措施，进而优化其系统监测。具体有如下功能。

1)锅筒液位动态显示。为了动态反映锅炉水位变化的特点，在手持终端液晶显示屏幕上用曲线图的形式来表现一段时间内的锅炉液位，并辅助曲线颜色的变化，使水位的波动规律与实际情况相一致。

2)对锅炉蒸汽系统的检测监督。包括蒸汽压力、蒸汽温度、蒸汽流量、锅炉给水量等数据监测。在日常运行中每间隔半小时采集并记录一次数据，记录数据包括日期、时间、液位值，报警标识符等。

对采集的数据分为实时数据和历史数据两个部分，历史数据就是液位未发生新的数值更新上一次的液位采集数据以及液位折线所对应发生的日期和时间。传送数据时用数据采集进度条显示过程，数据采集完毕，按动数据处理按钮，该系统就会对接收的信号进行处理及记录。

5 结束语

本系统结构简单、操作方便、性能安全，不仅可以单独运作，还可以与船舶上其它自动化系统连接使用；既可以在船舶机舱设备上智能化应用，也可以扩展到其他工作环境恶劣的领域。通过试验证明，该系统具有精确的数据传输精度和快速的响应特性，将该系统运用到油轮上用以监测货油舱油位液位数值。也可以应用到其他安全要求较高的船舶上，进行预防溢油的发生等其他船舶事故。

[1] 李良.无线传感网络关键技术研究[J].科技信息，2008(32)：80.

[2] 陈涛,刘景泰,邴志刚.无线传感网络研究与运用综述[J].自动化与仪表，2005(S1)：41-46.

[3] 许铭.蓝牙技术的原理与实现[D].北京：中国科学院研究生院(计算技术研究所)，2002.

[4] 董国军.蓝牙无线通信技术及其应用研究[D]. 天津:天津大学，2004.

[5] 金纯，贾珍梅，刘鲁云.基于CC2540的超低功耗蓝牙模块的设计[J].电视技术，2015(1)：60-64.

For marine boiler consumption of vapor increase of high and low liquid level sensor monitoring the failure problem，after studying the marine boiler start-up and excessive consumption of vapor inside the drum water level on the surface of the physical characteristics，for marine boiler liquid level monitoring system has carried on the induction, has developed a marine boiler liquid level based on the technology of short distance wireless communication auxiliary monitoring system，within the scope of design in the engine room local area network for real-time monitoring of the boiler liquid level.On the boiler liquid level monitoring system to carry on the effective use and test.The test results show that the design can real-time monitoring the boiler liquid level.The design's real-time performance is strong and high accuracy, which has good feasibility and practical significance.

marine boiler；level monitoring；local area network；mobile devices

浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划项目(2014R411050)

李强(1992-)，男，安徽临泉人，在读本科生。

U672；TP212.1

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.01.009

2015-11-10