CN101369925A - 船舶机舱设备运行状态无线网络监视系统 - Google Patents

Abstract

船舶机舱设备运行状态无线网络监视系统。涉及一种能将大量个体信号清楚分辩并及时传输、处理、显示的无线网络监视系统。它包括PC、无线网关、无线路由、节点，节点采集机舱设备的运行数据并形成与该节点匹配的ID、运行数据信号串，若干节点与无线路由通讯，无线路由汇聚若干信号串并传输给无线网关，无线网关内设有将接收到的若干传感器信号转换为XML信号并以Web形式发布的芯片；PC内设储存有对上述信号进行处理、运算、显示的软件的存储器。本发明通过节点，分散测量信号，通过无线网关收集、处理后传送到控制室，减少电缆的数量，又维护方便。通过XML的一致的数据表示，为船舶综合自动化系统提供通用数据接口，有利于各自动化部件的数据融合。

Description

船舶机舱设备运行状态无线网络监视系统

技术领域

本发明涉及大型船舶机舱设备运行状态无线网络监视系统，尤其涉及一种能将大量个体信号清楚分辩并及时传输、处理、显示的无线网络监视系统。

背景技术

目前国内很多造船企业，设计生产的船舶根据用途和吨位的不同，机舱的测量点，从几十个到几千个各不相同。机舱是船舶的心脏，对机舱的温度、液位、管道的压力和流量等物理量的监测十分重要。由于船舶机舱里的环境非常恶劣，通常是高温、高湿度、高噪声、高震动等环境，采用船员在机舱值班的形式，对船员身体的影响很大，国外自动化程度较高的船舶已经开始使用美国克尔斯博科技公司的一种名为“尘埃”的无线传感器网络技术，大多数船舶都采用有线的方式监测机舱的机械设备，由于船舶机械结构复杂、被测的物理量较多，布线十分困难，采用国外进口自动化设备时，价格较高。

随着控制技术和计算机技术的不断进步，船舶综合自动化系统正向着数字化、智能化、网络化的方向发展。随着自动化水平的提高，系统智能设备也越趋复杂，系统主要包含了导航与航行规划系统、综合船舶信息显示与处理系统、数据接口子系统、机舱监控系统、重要的导航仪器和传感器等部分，上述部分的多样化和智能化，使得它们之间互连变得十分困难，数据处理、传输不易，给船舶综合自动化系统的实施带来了困难。

发明内容

本发明提供了一种能适应船舶机舱中机械设备大量运行数据的无线采集，并处理为较易识别、处理、传输的XML数据，以便于实时监测设备运行状态的船舶机舱设备运行状态无线网络监视系统。

本发明的技术方案是：它包括设置在船舶控制室内的PC、与PC相连的无线网关、设置在船舱上与无线网关通讯的若干无线路由、设置在船舱机械设备上的与无线路由通讯的若干无线传感器节点，无线传感器节点采集机舱设备的运行数据并形成与该节点匹配的ID、运行数据信号串，若干无线传感器节点与无线路由通讯，无线路由汇聚若干信号串并传输给无线网关，所述无线网关内设有将接收到的若干传感器信号转换为XML信号并以Web形式发布的芯片；所述PC内设储存有对上述信号进行处理、运算、显示的软件的存储器。

所述的无线网关包括天线、无线射频电路、微控制器、以太网控制器、以太网接口电路、电源电路、复位电路以及嵌入了HTTP协议的SRAM和FLASH存储器；天线接收各无线传感器的数字信号，通过无线射频电路传输给微控制器，微控制器将该信号汇聚、并转换为可以Web数据发布的XML数据，再通过以太网控制器、以太网接口电路输出。

所述的无线传感器节点包括传感器输入调理电路、单片机电路、无线发射电路、天线、电源电路、RS232转换电路、功能键盘电路、复位电路、LCD显示电路；单片机电路中设超低功耗的MSP430系列单片机。

它还设有无线接收电路。

无线接收电路中的芯片为CC2430芯片。

本发明将基于无线传感器网络接收的数据转换为XML表示的数据，XML作为一种透明的元数据交换媒介，有利于实现船舶监控技术支持系统之间的兼容。结合船舶机舱测量的实际需求，选定最佳的测量方案，设计开发了适应我国的市场要求的无线传感器网关装置，具有抗干扰能力强，价格适中的特点。

本发明在现有船舶机舱机械设备测量点通过电缆直接送至控制中心驾驶室的基础上，经过无线传感器节点，将信号分散测量，通过本发明的无线传感器网关收集信息并处理后传送到控制室，既减少电缆的数量，又维护方便。通过XML的一致的数据表示，为船舶综合自动化系统提供通用数据接口，有利于各自动化部件的数据融合。本发明抗干扰能力强、超低功耗、工作稳定，自动接收船舶机舱无线传感器网络中传感器节点采集的数据，并转换为自描述的XML数据，为基于Web的监控系统提供通用数据接口。此外，本发明中还设置有可加载临近传感器数据的节点，比如，一台设备上的若干节点只需一个节点为具有发射、接收功能，其余节点具备发射功能即可，实现了区域信号打包传输，大大降低了成本。

附图说明

图1为本发明系统的信号传输示意图；

图中，1是控制室，2是无线网关，3是PC，4是船舱中设备，5是无线路由，6是节点，7是带信号接收功能的节点，8是船舱。

图2为本发明中无线网关的工作原理框图；

图3为本发明的数据流向示意图。

具体实施方式

结合附图进一步说明本发明，如图1，本发明包括设置在船舶控制室1内的PC3、与PC3相连的无线网关2、设置在船舱8上与无线网关2通讯的若干无线路由5、设置在船舱机械设备4上的与无线路由5通讯的若干无线传感器节点6，无线传感器节点6采集机舱设备4的运行数据并形成与该节点匹配的ID、运行数据信号串，若干无线传感器节点6与无线路由2通讯，无线路由2汇聚若干信号串并传输给无线网关2，无线网关2内设有将接收到的若干传感器信号转换为XML信号并以Web形式发布的芯片；PC3内设储存有对上述信号进行处理、运算、显示的软件的存储器。

如图2，无线网关2包括天线、无线射频电路、微控制器、以太网控制器、以太网接口电路、电源电路、复位电路以及嵌入了HTTP协议的SRAM和FLASH存储器；天线接收各无线传感器的数字信号，通过无线射频电路传输给微控制器，微控制器将该信号汇聚、并转换为可以Web数据发布的XML数据，再通过以太网控制器、以太网接口电路输出。

无线网关2的工作原理是：天线接收来自传感器节点的信息，送入无线射频芯片电路，无线射频芯片电路采用CC2430芯片，经过无线射频芯片处理的信号，送给微控制器，同时将信息存储到SRAM存储器和FLASH存储器中，SRAM存储器为SRAM存储器，16Mbit FLASH存储器为16MbitFLASH存储器。经过微控制器处理后的数据送入以太网控制器模块，再通过以太网接口连接以太网，太网接口采用RJ45。

微控制器采用集成电路U1(LPC2210)，接收无线射频芯片电路2的信号，并存储数据，通过以太网控制器、太网接口传输给PC3。

无线射频芯片电路采用集成电路U7(CC2430)，接收天线的信息，通过串行异步通信口和微控制器串行异步通信口相连，将信息传送到微控制器进行处理。

SRAM存储器采用集成电路U9(IS61LV25616AL)，FLASH存储器采用集成电路U10(SST39VF160)，由于LPC2210没有片内FLASH，所以只能使用外部的FLASH保存用户的最终程序。电路设计扩展了4MbitSRAM和16MbitFLASH。为了方便程序的调试及最终的代码的固化应用，使用了Bank0和Bank1的地址空间，可以通过JP901跳线将CS0和CS1分别分配给SRAM或FLASH。在程序调试时，分配SRAM为Bank0地址。当最终代码固化到FLASH时，分配FLASH为Bank0地址，SRAM为Bank1地址。存储器连接使用了16位总线方式，数据总线使用了D0～D15，地址总线使用了A1～A20，对于16位的SRAM，BLS0和BLS1信号用于控制低字节和高字节的写作。

微控制器(U1)的复位电路使用专用微处理器监控电源芯片SP708S。由于在进行JTAG调试时nRST和nTRST是可以由JTAG仿真器进行控制复位的，所以使用了三态缓冲门74HC125进行驱动，信号nRST连接到LPC2210芯片的复位脚RESET，信号nTRST连接到LPC2210芯片内部JTAG接口电路的复位脚TRST。当复位按键RST按下时SP708S立即输出复位信号，其引脚RST输出低电平，导致74HC125A和74HC125B导通，信号nRST和nTRST将输出低电平使系统复位。平时SP708S的RST输出高电平，74HC125A和74HC125B截止，由上拉电阻R301和R302将nRST和n TRST输出高电平，系统可正常运行或进行J TA G仿真调试。

以太网控制器(U8)采用RTL8019AS，RTL8019AS是一款高度集成的10 Mbps嵌入式全双工以太网控制器，电路设计为16位总线方式对RTL8019AS进行访问，即数据总线D0～D15与RTL8019AS芯片的SD0～SD15连接，地址总线A1～A5与RTL8019AS芯片的SA0～SA4连接，总线上串接了470Ω的保护电阻。RTL8019AS芯片工作在跳线模式，其基地址为0x300，所以电路上SA6、SA7、SA10～SA19均接地，SA9接电源。SA8与地址总线的A22相连，SA5与LPC2210的外部存储器Bank3片选CS3相连，当SA8为1，SA5为0时，选中RTL8019AS芯片，即其操作地址为0x83400000～0x83400001F。

如图3，无线传感器节点6包括传感器输入调理电路、单片机电路、无线发射电路、天线、电源电路、RS232转换电路、功能键盘电路、复位电路、LCD显示电路；单片机电路中设超低功耗的MSP430系列单片机。

作为另一实施方式，本发明中部分无线传感器节点还设有无线接收电路形成带信号接收功能的节点7。带信号接收功能的节点7的无线接收电路中的芯片为CC2430芯片。带信号接收功能的节点7能加载临近无线传感器节点6的信号，并传输给无线路由5。

无线传感器节点6或/和带信号接收功能的节点7通常测量船舶机舱内设备运行时的温度、湿度、液位、管道流量、管道压力等。节点6或/和带信号接收功能的节点7通过输入调理电路输入单片机的A/D转换输入口，单片机采用MSP430F449，经过单片机处理的信号通过其I/O口输出到无线芯片，无线芯片采用CC2430，信号经过无线芯片的处理，通过发射接收天线发射信号。

RS-232通信电平转换器使用MAX3232芯片，单片机的发送线UTXD0接MAX3232的第10脚，单片机的接收线URXD0接MAAX3232的第9脚。在单片机使用异步串行通信总线时数据通过MAX3232进行电平转换，并经过RS-232送入电脑或由电脑发送到单片机。

单片机的复位电路使用MAX809芯片，单片机的复位脚RESET接MAX809的第2脚。R401和DS401电源指示电路，R401为限流电阻，DS401为发光二极管。

存储器芯片电路中的数据存储器使用FLASHAT54DB041芯片与单片机通过SPI总线通信，通过SPI总线，单片机的控制数据有效的读写。

数据显示LCD和功能键盘中的键盘电路采用中断方式，R501、R502、R503为上拉电阻，R504、R505、R506为限流电阻。三个按键实现上翻、下翻、确认显示数据功能。

数据显示LCD和功能键盘中的LCD显示电路使用MG12232芯片，显示节点的各种数据。

电源模块使用Pasasonic公司的CR2054，CR2054存储了560mAh的电能，且体积较小。

通讯组态时首先设置智能仪器的通讯参数如波特率、校验位、起始位、停止位等，接着进行通讯命令格式的设置，用于获取智能仪表数据，如数据采集周期、编码格式、数据长度、校验方式等参数。接收数据格式设置用于正确接收智能仪器的数据，并对其解析。对接收数据的解析后，传感器节点6或带信号接收功能的节点7将其转换成ID号和数据量对，即每个数据量对应一个唯一的ID号，这样方便与传感器节点6带信号接收功能的节点7自身采集的数据量的融合。

本发明的传感器节点6或/和带信号接收功能的节点7采集的数据通过无线路由5转发，最后汇聚到无线网关2，无线网关2将收到的数据转换成XML数据，将XML数据存入实时数据库，准备以Web方式通过以太网接口发送。PC3与无线网关2的交互过程如下：

①PC3与Web服务器XML描述文件，获取信息定义信息。

②PC3定时向嵌入式Web服务器发送XML数据流的请求。

③嵌入式Web服务器返回XML数据流。

④PC3收到数据后，调用XML DOM对数据解析，存入实时数据库，供实时查询，同时存入历史数据库，供历史查询。

Claims (5)

1.船舶机舱设备运行状态无线网络监视系统，它包括设置在船舶控制室内的PC、与PC相连的无线网关、设置在船舱上与无线网关通讯的若干无线路由、设置在船舱机械设备上的与无线路由通讯的若干无线传感器节点，无线传感器节点采集机舱设备的运行数据并形成与该节点匹配的ID、运行数据信号串，若干无线传感器节点与无线路由通讯，无线路由汇聚若干信号串并传输给无线网关，其特征在于，所述无线网关内设有将接收到的若干传感器信号转换为XML信号并以Web形式发布的芯片；所述PC内设储存有对上述信号进行处理、运算、显示的软件的存储器。

2.根据权利要求1所述的船舶机舱设备运行状态无线网络监视系统，其特征在于，所述的无线网关包括天线、无线射频电路、微控制器、以太网控制器、以太网接口电路、电源电路、复位电路以及嵌入了HTTP协议的SRAM和FLASH存储器；天线接收各无线传感器的数字信号，通过无线射频电路传输给微控制器，微控制器将该信号汇聚、并转换为可以Web数据发布的XML数据，再通过以太网控制器、以太网接口电路输出。

3.根据权利要求1所述的船舶机舱设备运行状态无线网络监视系统，其特征在于，所述的无线传感器节点包括传感器输入调理电路、单片机电路、无线发射电路、天线、电源电路、RS232转换电路、功能键盘电路、复位电路、LCD显示电路；单片机电路中设超低功耗的MSP430系列单片机。

4.根据权利要求3所述的船舶机舱设备运行状态无线网络监视系统，其特征在于，它还设有无线接收电路。

5.根据权利要求4所述的船舶机舱设备运行状态无线网络监视系统，其特征在于，无线接收电路中的芯片为CC2430芯片。

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