基于Zigbee技术的船舶机舱监控系统的设计

龚　旭，　顾益民，　庞　厅

（南通航运职业技术学院　轮机工程系，　江苏　南通　226300）



基于Zigbee技术的船舶机舱监控系统的设计

龚旭，顾益民，庞厅

（南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏南通226300）

摘要：针对船舶机舱监控系统中的布线复杂、通讯盲区等问题，以机舱主要电气设备的温度监测为研究对象，提出和设计基于ZigBee技术以CC2430为核心的无线监控系统，在ZigBee协议的基础上完成软件的设计。

关键词：船舶机舱；ZigBee；CC2430

机舱监测报警系统可以准确可靠的监测机舱内各种动力设备的运行状态及其参数，一旦运行、设备发生故障，自动发出声、光报警，是船舶中最重要的监测设备，也是实现机舱自动化乃至船舶自动化不可缺少的条件之一[1,2]。上个世纪60年代，过程工业控制的自动化水平较低，监测工具也是以常规仪表为主，以有触点继电器式监控报警系统为其典型代表。随着控制仪表的发展，上个世纪80年代开始，随着计算机的广泛运用以及先进的控制系统的出现，机舱监测控制系统出现了以微机为核心的集散型监控阶段。本世纪初，随着无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）的发展，机舱检测报警系统由原来有线集中监控转变成使用无线传感器网络进行相关设备的遥感监视和状态控制工作，能够有效的解决船舶布线空间狭窄施工困难等问题。ZigBee[3,4]是近几年兴起的一种短距离无线通信技术标准,其典型特征是“四低”:低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。应用于监控的无线传感器网络一般数据的传输量较小,但要求传输可靠性高、设备成本低且体积小、电池供电、布置位置复杂多变、监测点多、需要较大的网络覆盖等，因此ZigBee技术的这些特点决定了其应用于无线传感器网络有自身独特的优势。因此基于ZigBee技术的优点，本文提出一种基于Zigbee技术的船舶机舱监控系统的设计方案。

一、硬件电路设计

本文主要目的是CC2430模块和DS18B20传感器组成无线传感器网络对机舱实行温度监控。这个无线传感器网络系统的基本组成部分就是DS18B20温度传感器和ZigBee模块组成的一个网络终端节点。这个节点根据需求定时采集温度数据，并通过ZigBee技术无线传输给协调器最终反馈给监测者，实现温度监控和非正常温度警报。

本系统的无线测温传感器网络由ZigBee终端节点和一个ZigBee协调器搭建而成。如图1所示，ZigBee终端节点都与协调器建立无线连接，协调器与PC机则通过串口相连。本系统的终端节点由CC2430模块和温度传感器DS18B20组成。CC2430模块集成有CC2430芯片及其外围电路、天线等。温度传感器采集环境温度信息，传输到CC2430芯片的存储器中并由无线通信模块发送到协调器上，协调器接受到温度信息并及时传输到计算机上。

图1　无线温度传感器网络架构

（一）CC2430的电源模块设计

由于CC2430的电源要求为2.0～3.6V，传感器节点一般采用3.3V的直流电压源。终端节点能量消耗低，使用环境复杂，一般使用电池供电。协调器能量消耗很大，一般使用3节五号干电池。为了将5V和4.5V电源变为3.3V电源，我们可以使用电平转换芯片TPS7333Q来达到目的。TPS7333Q无需输入电容。TPS7333Q只需在稳压器输出端和地线之间连接一个10uF的固态钽电容来维持器件的稳定性就可以完成。电源模块原理图如图2所示。加上0.047PF～0.1uF的陶瓷旁路电容，可以改善负载瞬间响应和噪声抑制功能。

图2　电源模块原理图

（二）无线温度传感器网络终端节点设计

利用防水的DS18B20测量温度，并通过CC2430模块将温度传输到计算机终端。将DS18B20通过电路与CC2430模块连接组成无线温度传感器网络的终端节点。将DS18B20的数据线与CC2430的P07口相连，利用CC2430对DS18B20进行供电。传感器DS18B20与CC2430连接接口电路图如图3所示。

由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了初始化时序、读时序、写时序。这些时序都是将主机设为主设备，单总线器件设为从设备。而且主机主动启动写时序才开始对命令和数据进行传输。如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。

图3　DS18B20与CC2430连接电路图

（三）计算机接口电路

CC2430为了实现与计算机通过串口通信，必须对电平进行匹配。CC2430使用的是TTL电平标准。计算机串行口使用的是RS232的电平标准。这两者之间的电平范围相差很大，所以必须使用电平转换电路。实际中我们采用MAX3232来实现电平转换。RS232电平转换电路如图4所示。

图4　RS232电平转换电路

二、软件设计

（一）无线温度传感器网络软件设计流程图

本文的设计目标是对机舱内某一区域的温度进行监测。终端节点监测到温度信息并传输到计算机终端的过程如图5所示。DS18B20与CC2430组成的传感器节点每半分钟检测一次，然后通过ZigBee无线传输到协调器；协调器接收到温度数据后，通过与计算机连接的串口线，传到计算机上。每次的温度测量数据都会记录在计算机上，计算机客户终端会实时监测温度数据变化。

图5　监测温度信息并传输流程图

系统软件编程的基本思路：先对系统初始化；射频模块进行初始化；启用传感器终端节点、协调器；组成传感器网络并运行测温程序，实现最终的定时测温功能，并将测温的数据由终端节点经过协调器传输到计算机上。按照硬件电路设计思想，软件采用模块化结构程序设计方式。软件模块包括UART串口模块、射频芯片的初始化、温度数据检测、射频芯片的数据接收和发送以及温度判断报警设置。

协调器采用CC2430模块，用稳定的直流电源供电。当协调器启用时，开始扫描信道并建立逻辑链路，有终端节点申请加入网络时就可以组成无线通信网络传递数据并且通过RS232串口与计算机连接传递数据。具体的软件流程如图6所示，主要步骤如下。

无线温度监测网络终端节点由CC2430模块和DS18B20组成，采用电池供电。当终端节点上电复位后，开始搜索指定信道上的协调器，并发出连接请求。建立连接成功后，终端节点将得到一个16位短地址，并在以后用这个短地址通信。为了节省能量，要将终端节点在非工作时置入睡眠状态。终端节点ZigBee模块定时检测温度数据并发送到协调器。终端节点工作时软件流程如图7所示。

图6　协调器软件流程

图7　终端节点软件流程图

图8　计算机获取的温度信息

（二）系统运行结果及分析

1.测温系统运行

在实验室环境下，我们用CC2430和DS18B20组成的无线传感器终端节点来测量水温，该简易水温监控系统需要两组无线传感器终端节点外加一个由CC2430模块构成的协调器组成。在构建温度监控系统时，首先将协调器程序烧入到一个ZigBee节点作为协调器，用RS232线连接计算机和协调器，通过串口调试助手来显示输出内容。串口配置如下：57600bps、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验位，协调器加电后开始寻找可用网络可用信道进行组网。将传感器终端节点程序烧入到一个ZigBee模块作为终端节点。终端节点和协调器连接起来。终端节点定时检测温度并向协调器传输温度信息。计算机通过串口获取协调器获得的温度信息。结果如图8所示。

三、结论

本文在对无线传感器网络研究的基础上，提出了一种基于ZigBee技术的无线传感器网络方案，来实现对某一区域进行温度监测的目的。设计CC2430模块与温度传感器DS18B20相连作为无线温度传感器网络的终端节点。运用星型网络结构将终端节点与协调器相连，组成一个完整的无线温度传感器网络。协调器也是一个CC2430模块，把协调器通过串口与计算机相连，让计算机成为人机交互终端。采用ZigBee协议进行传输的无线温度传感器网络可以很节能地传输无线数据，完成无线传感器网络系统的数据采集和传输功能，并且负载也很大，很适合无人监测系统的研究。

本课题使用ZigBee技术对对区域环境进行监测，然而该无线温度传感器网络的温度警报系统还不是很完善，下一步要在接收终端计算机上做出警报判断。此外由于ZigBee技术距离传输有限，我们没有能够实现远程监控，下一步的工作是将ZigBee网络接入到互联网来实现远程监控，或与蜂窝移动网进行连接，实现手机便捷地对远程ZigBee无线传感器网络进行实时监测。

参考文献

[1]马驰誉.船舶机舱监测报警系统的研究[D].大连：大连海事大学，2009,(6).

[2]张旭，李迪阳，等.船舶机舱监测报警系统[J].计算机工程与应用.2005,(22).

[3]瞿文娟.基于ZigBee技术的粮仓温湿度测控系统的设计与实现[D].杭州：中国计量学院，2014,(6).

[4]霍雷.一种新的无线网络通信技术ZigBee单片机与嵌入式系统用[J].2006,(1).

[5]杨赓.ZigBee无线传感器网络的研究与实现[D].杭州：浙江大学,2006.

（责任编辑：魏树峰）

顾益民（1965-），男，江苏南通人，副教授，研究方向：电力电子。

中图分类号：TP29

文献标识码：A

[文章编号]1671－802X(2016)02－0005－04

收稿日期：＊2016－02－28

作者简介：龚旭（1985-），女，江苏盐城人，讲师，研究方向：船舶电气。E-mail:xuyong@ntse.edu.cn.

基金项目：大学生实践创新项目“基于Zigbee技术的船舶机舱监控系统的设计”（201512703012Y）；南通航运职业技术学院教改课题“STCW履约新背景下《PLC及现场总线》课程项目化改革探索与教材开发”（HYJY/2015B04）

A Design of Monitoring System for Ship Engine Room Based on Zigbee Technology

GONG Xu,GU Yi-min,PANG Ting
(Department of Marine Engineering,Nantong Shipping College,Nantong 226300,Jiangsu)

Abstract:There are such problems as complex monitoring system and communications failure in the ship engine room.Focusing on the temperature monitoring of major electric appliances in the ship engine room,a new wireless monitoring system based on Zigbee technology CC2430 is designed.The software design is based on Zigbee Protocol.

Key words:ship engine room;ZigBee；CC2430