太阳能游览船舶火灾报警系统抗干扰设计

李巧龙，俞万能,2



太阳能游览船舶火灾报警系统抗干扰设计

李巧龙1，俞万能1,2

(1. 福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建厦门 361021；2. 集美大学轮机工程学院，福建厦门 361021）

针对某类型太阳能游览船舶开发的火灾报警系统，根据实际应用情况，分析采用总线技术在数据采集、传输信号中存在的各种信号干扰，从硬件和软件方面讨论了火灾报警系统抗干扰的具体措施，并对系统进行改进设计。实船应用表明，改进后的火灾报警系统运行正常，可靠性和稳定性大大提高。

火灾报警系统 信号采集 抗干扰措施

0 引言

船舶火灾是船舶海难中危险性较大的一种事故[1-3]，船舶火灾不仅仅威胁船舶本身、船上人员、船上货物的安全，还会导致巨大的财产损失。船舶火灾往往需要自救，在海上很难接受到其它船舶的救助，并且如果遇到大风浪时，风势还会助长火的蔓延，加大灭火的难度，而且机舱内的空间狭窄。对于船舶火灾主要以预防为主，争取将火灾消灭在萌芽之中。太阳能游览船舶作为一种新兴的运输工具，其对火灾预防的主要依赖于船舶上的火灾报警系统。但在实船的运行中，火灾报警器及其信号采集和传输经常会受到各种干扰的影响，大大降低了火灾报警器的可靠性。为了保障火灾报警器的可靠性，我们从硬件设计和软件设计两方面来避免外界的信号干扰，确保能将火灾消灭在萌芽之中，保障船上的人员和财产安全[4-5]。

1 太阳能游览船舶上干扰源的分析

太阳能游览船舶主要船体、驾驶室主控台、太阳能光伏阵列、充电控制单元、蓄电池组、电机控制单元、电力系统、系统信息显示屏、照明设备等组成[6]。其中船舶电力系统是由船舶电源装置、配电装置、船舶电网和电力负载按一定方式连接的整体，是船上电能产生、传输、分配和消耗等全部装置和网络的总称[7-10]。

火灾报警系统在太阳能游览船舶上应用时，发现在推进变频器运行的时候系统出现不稳定现象。经示波器检测系统控制器DS18B20的采集信号，发现采集到的数据出现了明显的干扰情况（如图1所示），可以看出波形出现明显的噪声。而且当变频器被关闭时，DS18B20采集到的信号开始趋于正常（如图2所示）。从图2中可以看出噪声已经消除，通过反复的测试发现对产生噪声的原因主要是由于变频器产生的干扰。变频器干扰主要是由于变频器进行快速开关动作时会产生高次谐波，这样变频器输出波形除基波外还含有大量高次谐波。高次谐波是变频器产生干扰的主要原因，变频器本身就是谐波干扰源，可以对附近的仪表自动化控制设备、线路、信号传输产生影响[11-12]。所以对于太阳能游览船上火灾报警器的抗干扰设计主要是避免变频器产生干扰。

图1 示波器采集到的波形（变频器工作时）

图2 示波器采集到的波形（变频器关闭时）

2 硬件抗干扰设计

2.1 CAN总线抗干扰措施

太阳能游览船舶上火灾报警系统的监控系统采用的是属于总线型网络拓扑的双CAN总线冗余环形网络，CAN总线的两端分别连接了两个60 Ώ的电阻，这种终端结构称为分离终端（结构如图3）。采用分离终端虽然可以从两个分离终端的中间抽头上得到共模信号，优化高频性能，但这种分流终端却会因为通电产生的干扰的回路电路，大大降低了监控系统的准确性和稳定性，所以我们在两侧分别用一个120 Ώ的电阻代替了代替了两个60 Ώ的电阻（结构如图4），进而在保证保证其高频性能的情况下又避免了由于电流产生的回路电流干扰，进而保障了火灾报警系统的准确性和稳定性[13-14]。实物见图5 所示。

图3 分离终端结构图

图4 改良后的结构图

图5 实物图

2.2电源抗干扰措施

通过船用蓄电池供电可提供持续稳定的24 V DC输出。24 V输入电压经过EWC滤波稳压处理后，由隔离型DC/DC模块LM2596S降压为+5 V为传感器模拟板供电。该模块为主电源模块，同时，给CAN总线收发器TJA1050供电，选用TELESKY公司的电源模块，具有良好的EWC特性。

数字板需要3.3 V，1.8 V，隔离5 V三种电源，其中，非隔离型电源模块AMS1117-3.3将+5 V电源降压为3.3 V给TMS320F2812的IO部分供电，+3.3 V电源经过线性电源AMS1117-1.8(低压差稳压器)变换为1.8 V为TMS320F2812内核供电。电源部分设计框图如图6所示。

图6 电源模块框图

为了解决火灾报警系统电源中的纹波和电源，通过在DC/DC模块的输入端和输出端外加滤波电容的方法来减少纹波值。同时也要注意选择外加滤波电容器的电容值，如果选用的电容器的电容值过大，很容易导致启动问题。我们还在DC/DC模块TEN5-2413输入输出端连接了一个滤波网络来获取更低的纹波值，但是为了避免TEN5- 413模块与LC滤波网络相互干扰，将TEN5-2413模块的固有频率和LC滤波的自身频率合理的错开。同时为了确保TEN5-2413模块能够高效可靠的工作，规定了最大负载和最小负载，以避免其出现过载或者空载的情况。

3 软件抗干扰设计

3.1 滑动滤波

在火灾报警系统的信号采集过程中，被测信号中会混入许多干扰信号，这些干扰信号会大大降低火灾报警系统的准确性。我们在火灾报警系统中采用了滑动滤波算法来将信号中的干扰信号过滤掉，进而提高火灾报警系统的精确性和稳定性。之所以选择数字滤波是因为滑动滤波算法能够将所采集的数据中的异常数据滤除掉，并将火灾报警系统的状态确定为异常状态。滑动滤波算法还会将采集到的数据进行排序并通过中值选择后再对数据进行合理性判断，这样可以有效避免传感器采样数据偶尔冒大值的情况，进而保障火灾报警系统采集到的数据的稳定性和精确性。

滑动滤波算法的程序图如图7所示，它将采集到的数据进行分析处理，判断其是否为正常值，如果不是正常值则进行异常计数，当计数达到m（根据实际情况自行设定）时，则进入异常状态，否则进入正常状态，并将以前的异常计数清零，并对数据进行处理，对所采集的正常数据进行排序，再通过中值选择的方法，得到相应的数据，再对这些数据进行合理的判断，不断重复这些程序，如果满足合理性的要求则输出本次的结果，否则继续输出上次满足合理性要求的结果。

图7 滑动滤波算法流程图

3.2 CRC校验

为了进一步保障火灾报警系统的精确性和稳定性，采用CRC校验来提高火灾报警器的抗干扰能力，作为数据通信领域最常见的一种查错校验码，它能够对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，进而保证数据传输的准确性和稳定性。CRC校验的基本原理为：在K位信息码后再拼接R位的校验码，整个编码长度为N位，因此，这种编码也叫（N，K）码。对于一个给定的（N，K）码，可以证明存在一个最高次幂为N-K=R的多项式G(x)。根据G(x)可以生成K位信息的校验码，而G(x)叫做这个CRC码的生成多项式。校验码的具体生成过程为：假设要发送的信息用多项式C(X)表示，将C(x)左移R位（可表示成C(x)*2R），这样C(x)的右边就会空出R位，这就是校验码的位置。用 C(x)*2R除以生成多项式G(x)得到的余数就是校验码。在火灾报警系统中，DS18B20向MCU发送数据时在最后一位添加CRC校验位，MCU接收到数据时，当通过CRC校验算法得到的校验值与接收到的最后一位不相等时，这种情况表明火灾报警器接收到的数据受到了干扰，火灾报警器就会直接把收到的受干扰数据删除，进而保障火灾报警器的准确性和稳定性。

4 实船应用与分析

通过在火灾报警系统的硬件设计中加入CAN总线抗干扰措施和电源抗干扰措施，在软件设计中采用了滑动滤波和CRC校验的方法，最大化的避免了变频器对火灾报警系统的干扰，改进后的火灾报警系统通过分布在船舶中的8个DS18B20采集船上充电器、负极棒、电机舱、切换柜的实时温度，将这些温度传送给TMS32OF2812，TMS32OF2812对传来的实时信号进行处理分析并经这些温度传送到显示屏，使显示屏能够及时呈现出船上充电器、负极棒、电机舱、切换柜的实时温度，便于驾驶员能够及时发现船舶上各处温度的异常变化，当DS18B20传来的温度超过了系统设定的极限值(该极限值可以根据实际情况设定)，TMS32OF2812就能够及时的让报警电路发出报警声，显示屏上也会将该处的温度状态及时显示为红色的‘过高’，这也方便驾驶员能立马发现是哪个位置出现了火灾，方便驾驶员能够迅速处理，避免火灾的发生（系统的组成框架图如图8所示)。改进后的火灾报警系统在筼筜湖8艏太阳能游览船(如图9所示）上应用并实现了稳定的运行，并且能够在火灾发生时准确、稳定的采集和传输相关数据并在显示屏上显示出来、并发出警报（火灾报警器太阳能游览船上安装实物如图10所示、油舱切换柜发生火灾时显示屏实时图如图11所示）。

图8 系统框架图

图9 筼筜湖8艏太阳能游览船

图10 火灾报警系统实物图

图11 显示屏实时图

5 结论

本文针对火灾报警系统在太阳能游览船舶上实际运行中出现的变频器干扰情况，提出了在火灾报警系统的硬件设计中加入CAN总线抗干扰和电源抗干扰的方法，在软件设计中采用了滑动滤波和CRC校验的方法，并将这些改进方法在太阳能游览船舶上进行应用，通过实船的应用证明了这种方法能够避免变频器对火灾报警系统的干扰，为火灾报警系统的抗干扰研究提供了一种新的方法，这种方法相对于陆上火灾报警系统的抗干扰措施结构更加简单、使用更加方便、价格更加低廉，十分适合在太阳能游览船舶上应用。下一步可研究这种方法在其它船舶上的应用，希望能为船舶上火灾报警系统的抗干扰措施的改进提供参考。

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Anti-jamming Design of Fire Alarm System for Solar Tours Ship

Li Qiaolong1, Yu Wanneng1,2

(1. Fujian Province Key Laboratory of Naval Architecture and Marine Engineering, Xiamen 361021, China; 2. Marine Engineering Institude, Jimei University, Xiamen 361021, China )

U665.13

A

1003-4862（2018）02-0013-05

2017-11-20

国家自然科学基金（51679106）； 福建省自然基金面上项目（2017J01703）；福建省科技计划项目资助（2015Y0038/2016H6017）

李巧龙(1994-)，男，硕士研究生。研究方向:船舶电力推进及其控制。E-mail: 844541588@qq.com

俞万能（1970-），男，博士，教授。研究方向：船舶电力推进及其控制。E-mail: wnyu2007@jmu.edu.cn