基于WSN的电力推进船舶电气设备过热监测系统研制

马 川，毛宏雨，刘彦呈



基于WSN的电力推进船舶电气设备过热监测系统研制

马 川1,2，毛宏雨2，刘彦呈1

（1. 大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 116026；2. 青岛远洋船员职业学院机电系，山东青岛 266071）

针对目前电力推进船舶普遍采用有线进行电气设备过热监测的局限性，结合无线传感器网络（WSN）技术，研制了一种基于WSN的电力推进船舶电气设备过热监测系统。设计并制作了中心节点和传感器节点的硬件，编写了过热监测的软件并创新性的采用软件动态休眠节能和发射功率控制的方案，有效的延长了系统的使用寿命。结果表明该系统实现了电气设备过热的精确测量，实验室数据测试证明其和有线测量可以达到同样的精度。

无线传感器网络 电力推进船舶 电气设备 过热监测

0 引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，以下简称WSN）是由大量具有通信能力和计算能力的微小传感器节点布设在监控区域而构成的，能够根据环境自主完成指定任务的“智能”测控网络系统，具有低成本、低功耗、体积小、网络结构灵活、数据传输可靠等特点。目前，广泛应用于军事、工业、医疗、农业、环境监测、智慧城市等领域[1,2]。电力推进船舶具有良好的操纵性和经济性、极少的振动和噪音、灵活的机舱空间布置等优点[3]，成为现代造船的发展方向。电力推进船舶有很多重要的电气设备，对这些电气设备过热温度的实时监测有助于管理人员提前预测故障，及时采取措施，避免故障扩大化。

目前，对电力推进船舶电气设备温度的监测一般采用传统的有线测温和红外测温的方法。有线测温的方法需要布设大量的电缆，而且不易实现高低压隔离，而红外测温的方法，虽然可以实现高低压隔离，但是需要工作人员定期巡回测温，不能保证实时测量且测量精度不高受环境影响大。

针对上述问题，本文将WSN技术引入到船舶应用中，研制出一种基于WSN的电力推进船舶电气设备温度监测系统，该系统既能实现实时精确测温，又能保证高低压隔离，克服了传统方式的局限性且成本较低，是目前中高压电气设备监测的发展趋势。

1 系统总体架构

基于WSN的电力推进船舶电气设备监测系统是由传感器节点、路由节点、中心节点、MODBUS通信单元、和上位机应用软件组成（如图1所示）。

传感器节点主要由数字温度传感器、CPU、电源模块构成，在不方便布线的场合，传感器节点采用锂电池供电。其主要功能是对监测点的温度进行采集，并根据温度变化情况自动进入休眠状态以实现节能；路由节点的主要功能是对传感器节点传送来的数据进行路由，若该路由节点的路由表中的下一跳地址是中心节点，则就将数据传递到了终点。若路由节点的下一跳路由地址仍然是路由节点，则该路由器就将数据传递给下一路由器继续对数据进行路由；中心节点主要负责将数据暂时保存，等待上位机读取。另外，中心节点还负责对WSN进行维护，接收上位机的命令信息并更改网络的参数；上位机应用软件是由NI公司的Labview测控软件开发的，其主要功能是将中心节点送来的数据进行显示、分析和存储，以备将来分析故障之用。

2 硬件设计与实现

本系统的硬件设计不同于传统的监测系统，由于部分WSN传感器节点工作在锂电池供电的状态下[4]，这就要求在硬件设计时要考虑到节能。同时，在电力推进船舶上，电气设备较多并且是6.6 kV的中压设备，故在硬件设计时还要考虑到高压隔离和防止电磁干扰。

图2 中心节点硬件结构图

中心节点和传感器节点的微处理器均选用TI公司的CC2530。该种芯片无论在性能上还是成本上都比同种类型的芯片要优越。同时，TI公司还为CC2530芯片量身定做了完全免费的协议栈，使得程序的设计更加方便。该芯片内部集成有符合IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz的无线收发器，RF射频单元的接收灵敏度非常高、抗干扰性能强，休眠模式下仅需要0.9mA的电流，节能性能非常好，特别适合于电池供电的设备。

传感器节点采用锂电池供电，故在设计电路时要能保证节点在休眠时能够关断传感器电源以实现节能。电路只在传感器工作期间投入工作（通过CPU控制TPC8102芯片），其余时间处于断电状态。传感器节点采用的是数字温度传感器DS18B20，该传感器直接将温度转化为数字信号送至CPU。

另外，传感器节点处于高压电场和各种干扰之中，故本系统在设计时，充分考虑了电场屏蔽，对传感器节点加装了屏蔽罩并且屏蔽层可靠接地。所有芯片输入引脚都通过电阻上拉，尽可能少的防止芯片受到外界电场干扰。在设计PCB时，将地线加粗并电路板大面积覆铜，以减少地线引起的干扰。节点在设计时，还加入了“看门狗”功能。

3 软件的设计与实现

系统的软件和硬件是相辅相成的，二者相互配合才能实现系统的各项功能。系统软件的总体结构分为三层：传感器节点的软件（温度采集、发射功率控制、命令处理），中心节点的软件（MODBUS通信软件、命令处理软件）和上位机应用软件。

3.1 中心节点和传感器节点的软件设计

中心节点上电后，首先组建一个新的WSN网络, 在网络组建完成后，执行应用层程序，进行用户程序的初始化。初始化后，程序将不断的检测是否有数据进入。当中心节点收到通信模块送来的数据或者传感器节点送来的无线数据时，将进入接收程序。若数据来自上位机，则进入命令处理子程序对数据进行分析和处理。若来自传感器节点，则进入温度处理子程序。

传感器节点上电后，首先搜索区域内的无线传感器网络，若搜索到网络并成功加入后，就开始执行应用程序并开始采集温度。采集M次后，取平均值发送给中心节点。同时，计算出温度变化率。根据变化率的大小，计算自己的休眠时间并令传感器节点进入休眠状态，以实现最大限度的节能。休眠时间到后，接着进行M次温度采集。

3.2 上位机应用软件设计

上位机应用软件是利用NI 公司的Labview测控软件开发的，该软件开发的界面具有简洁、美观的特点并且能够直观的将各个监测点的信息显示在管理人员面前。本文在设计上位机界面时，尽可能的将界面显示情况和实际的电气设备对应起来，以便于管理人员能够在短时间内定位电气设备监测点的温度如图所示。该应用软件具有以下功能：1）监测点参数的显示及报警功能；2）参数的定时打印和召唤打印功能；3）参数报警的闭锁及通信参数设定功能；4）参数越限故障预测功能。

4 传感器节点的节能控制

系统中部分传感器节点采用的是电池供电，对该类型节点进行节能控制是必要的。射频发射机的发射能量与传输距离的次方成正比，较为理想的节能方案是随着传输距离的改变而改变发射机的发射功率，从而达到节能目的。当节点间的距离一定时（如图3所示），节点A和节点B之间距离为。当A和B通信时，以10 mW的发射功率发射数据，节点B就可以安全可靠的收到数据。如果节点A以20 mW的功率发射数据，节点D也以20 mW的功率发射数据，节点B能够收到节点A的数据，节点C也能够收到节点D的数据。但是，节点A发射的覆盖范围和节点D发射的覆盖范围有重叠，这样就会造成信道间的冲突，在节点众多的情况下可能会丢失数据[5,6]。更重要的是，发射功率增加后，造成了不必要的能量浪费。

根据无线电波在自由空间中的传输公式，即Frris传输公式[7]：

其中，GG为发送和接收天线的增益，为载波波长，为发送和接收间的距离，为损耗因子，P是发射功率，P是接收功率。当GG均确定的情况下，只要知道P就可以根据公式求出P。公式（1）经过变形就可以得到：

其中，P是最佳发射功率，P是接收机的接收门限功率。综合公式（1）和公式（2）可以得到：

根据（3）可以得知：只要知道接收机的门限功率P、发射功率P和接收功率P就可以求出最佳发射功率P的值。系统采用的芯片是CC2530，通过芯片资料可以得到其接收机的门限功率P的值为-91 dbm。另外，通过该芯片的寄存器RSSIL中的RSSI_VAL位可以得到其接收的功率值P，这样，只要知道发射机的发射功率值P然后再根据公式（3）就可以计算出最佳发射功率P的值[8]。本系统所设计的获取传感器节点最佳发射功率的方案流程图（如图4、5所示）。

图3 节点间发射功率范围示意图

图4 建立最佳发射功率传感器节点流程

5 系统性能的验证

为了验证本文所研制的基于WSN的电力推进船舶电气设备监测系统的性能，在实验室条件下对无线传感器网络节点和有线温度采集的性能进行对比。具体的实施方案如下：

1）将本文所研制的带有动态休眠的传感器节点和有线测温节点同时并且在同一位置放到实验室的容器中。

2）实验室的容器采用电加温的方式，逐渐将温度从室温加热到100℃。

3）有线温度测量采用200 ms的间隔采样，本文设计的传感器节点采用动态休眠的方式进行采集（按照本文所设计的方案，根据温度变化率动态调整采集间隔）。

4）将两者的结果放在同一图表中，观察本文所设计的带动态休眠的传感器节点采集结果和有线采集结果的差别。

5）结果发现：本文所设计的基于WSN的电力推进船舶电气设备监测系统和有线测温的监测系统具有同样高的测量精度。

实验室实物测量结果证明：基于WSN的电力推进船舶电气设备监测系统克服了传统有线测温的缺点，实现了高低压隔离并且和有线测温具有同样的测量精度。

图7 温度采集性能

6 结束语

本文针对电力推进船舶的实际问题，以电力推进船舶中各主要电气设备的过热监测为研究对象，提出了一种基于WSN的无线电气设备过热监测系统，该系统的显著特点是在不便于布线的场合可以实现温度的测量及实现温度数据的无线低功耗传输。当监测点的温度数据异常时，会发出报警提醒管理人员处理，提高了电力推进船舶电气设备的运行可靠性。但是，电推船舶电气设备监控涉及的内容广泛而复杂，本文所研制的电气设备的过热监测只是其中的一个方面，要真正的将基于WSN的无线数据监测应用于电力推进船舶电气设备及其他重要的机械设备中，还需设计并研制更多的传感器节点。本系统的研制，为电力推进船舶实现“智能机舱”提供了理论基础。

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Design of Electrical Equipment Overheat Monitoring System on Electric Propulsion Ship Based on WSN

Ma Chuan1,2, Mao Hongyu2, Liu Yancheng1

(1. Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China; 2. Qingdao Shipping Mariner’s College, Qingdao 266071, Liaoning, China)

U665.2

A

1003-4862（2018）08-0013-04

2018-04-23

马川 (1984-)，男，在读博士、讲师。研究方向：船舶自动与智能化、无线传感器网络方面的研究。E-mail: machuan1984@126.com