基于无线网络的船舶机械设备工作状态数据实时采集系统

杨崇英，杨宏涛，王利卿

(1. 郑州轻工业大学，河南 郑州 450002；2. 河南省工业学校，河南 郑州 450011；3. 河南水利与环境职业学院，河南 郑州 450008)

0 引 言

船舶在运行过程中，其机械设备的工作状态数据以及参数并不是一成不变的[1–3]。为了使船舶管理人员及时了解船舶机械设备的工作状态，以便在船舶出现非正常运转时，采取积极措施予以处理，保障船舶的安全稳定运行，采用合理方式设计一种能够较为理想地实现船舶机械设备工作状态数据采集的数据采集系统十分必要。

近年来国内外诸多学者设计了大量船舶机械设备工作状态数据采集系统，罗义军等[4]设计了基于AD9467的船舶机械设备工作状态数据采集系统，将FPGA 当作主控制芯片，控制AD9467 高速型模数转换器采集船舶机械设备工作状态数据，并将所获数据通过内部总线发送给上位机实施相应存储管理。陈航等[5]设计了基于千兆以太网的多节点船舶机械设备工作状态数据采集系统，针对船舶机械设备工作状态数据模拟量在进行远距离传输时面临的干扰问题，将FPGA 当作主控制芯片，通过采取一种可靠的以太网传输协议，在多节点完成船舶机械设备工作状态数据模拟量采集，并最终将其转换成相应的数字信号在上位机中完成显示。二者均可有效采集船舶机械设备工作状态数据，但是常会受到网线限制，导致数据采集与传输效果不够理想。

为此，本文设计基于无线网络的船舶机械设备工作状态数据实时采集系统。在采集完船舶机械设备工作状态数据后，使用无线网络对其实施合理传输，不受网线等因素的限制，便可将数据实时传输给存储层进行合理存储。

1 船舶机械设备工作状态数据实时采集系统

1.1 总体架构

鉴于对船舶机械设备工作状态数据实时采集系统在扩展、兼容以及易于维护等方面的需求，设计一种可较好满足未来需求的船舶机械设备工作状态数据实时采集系统，总体架构如图1 所示。该系统架构包含设备层、数据采集层、网络传输层以及数据存储层4 个部分。设备层作为整个系统的最底层，包含动力设备、操纵设备、装卸设备、安全设备以及自动化设备等多种船舶机械设备，这些设备利用内部总线与数据采集层建立有效连接，实现数据交换；数据采集层包含数据采集、传感器、应急电源以及网络通信终端等模块，通过内部总线建立起与设备层的有效连接，在数据采集模块使用基于FPGA 的数据采集技术将各设备的工作状态数据采集到系统中，采集工作完成后将其打包交由网络传输层实施合理传输；网络传输层设置了无线网络、路由器、防火墙、网络优化调节以及实时网络状态监测等几个模块，充分利用无线网络在数据传输方面的优势，更为实时、可靠以及高效地向数据存储层发送数据；数据存储层以数据接收、数据压缩与控制、数据分类存储以及计算机网络接口几个模块为主要构成，在接收到网络传输层传输过来的数据后，对其实时合理分析、控制，最终实现数据压缩存储。

图 1 系统总体架构Fig. 1 Overall system architecture

1.2 硬件设计

1.2.1 数据采集模块设计

FPGA 芯片不仅在数据逻辑控制方面具有显著优势，在数据运算方面的性能也极佳[5]，故将其应用于船舶机械设备工作状态数据采集，较之其他控制芯片可收获更为理想的数据采集效果。设计的数据采集模块结构如图2 所示。

图 2 数据采集模块设计Fig. 2 Design of data acquisition module

1.2.2 无线网络模块设计

一个良好的数据采集系统，通常都需要一个安全可靠的网络传输层。使用无线网络完成相应的数据传输，在不必受网线限制的情况下，便可实现数据实时传输与共享。在利用无线网络执行相应的数据接收与发射操作时，易遭受各种噪声因素的干扰，从而降低数据传输的可靠性，影响所采船舶机械设备工作状态数据的质量。为了能够尽量在保证数据质量的情况下，增强数据传输的实时性与高效性，本文选用对数据较为敏感的CC2531 射频芯片，对无线网络模块实施合理设计，设计的无线网络模块框图如图3 所示。

图 3 无线网络模块设计Fig. 3 Wireless network module design

1.3 无线网络数据传输延时优化

在利用无线网络对船舶机械设备工作状态数据实施合理传输时，存在延时偏高问题，若不对其进行及时处理，将影响整个数据采集系统的数据传输效率。为此，本文使用一种基于RPODTD 数据传输延时优化路由协议的延时优化策略，在数据传输的过程中，使用改变船舶机械设备工作状态数据包路径的方式，合理降低船舶机械设备工作状态数据包排队延时。具体的优化步骤可归结如下：

步骤1数据收发节点排队延时求解。用TU标记排队延时，则其求解过程可描述为：

在函数值是1 状况下，代表Hx不再适合对数据执行有效的接收操作；在函数值是0 状况下，代表Hx适合对数据执行有效的接收操作。为方便起见，根据上述描述，对该函数执行合理的flag标志位设置操作，若节点不能在执行相应的数据接收操作，需将数据包以合理方式返还给发送节点，有flag=1，反之flag=0。

步骤3根据步骤2 中所获flag值，判断是否执行路径更改操作，若是，完成步骤4 所述操作，否则转向步骤5。

步骤4根据路由表选择合适节点当作下跳节点。

步骤5发送节点向已经选择完毕的下跳节点实施有效的数据传输。

2 实验与分析

以某大型散货船的电机设备为实验对象，应用本文系统对其实施合理有效的机械设备工作状态数据采集，验证本文系统在船舶机械设备工作状态数据采集工作方面的优势。该船的各项参数如表1 所示，船用电机主要技术参数如表2 所示。

表 1 船舶参数Tab. 1 Vessel parameters

表 2 船用电机主要技术参数Tab. 2 Main technical parameters of marine motor

图4 与图5 为应用本文系统实时采集到的电机工作电压信号与振动信号。可以看出，应用本文系统可以实现船舶机械设备工作状态数据实时采集，并且数据采集效果较好，采集到的信号中无噪声干扰因素存在，可为实际船舶机械设备管理提供高质量的数据支撑。

图 4 船用电机电压信号Fig. 4 Marine motor voltage signal

图 5 船用电机振动信号Fig. 5 Vibration signal of marine motor

为进一步验证本文系统在数据传输方面的优势，绘制应用本文系统对采集到的船用电机电压信号与振动信号实施合理数据传输获得的数据传输效果图，如图6 所示。

图 6 数据传输效果Fig. 6 Data transmission effect

分析可知，应用本文系统对电机工作电压信号与振动信号实施合理传输，即使在数据量较大的情况下，传输2 种信号所产生的系统延时也非常低。表明本文系统在机械设备工作状态数据传输方面优势显著，可更好地满足实际工作需要。

3 结 语

为了解决当前船舶机械设备工作状态数据采集过程中存在的一些不足，设计了基于无线网络的船舶机械设备工作状态数据采集系统，测试结果表明，该系统的船舶机械设备工作状态数据采集效果好，而且减少了系统延时，系统的工作效率高，具有较高的实际应用价值。