CN102426771A - 一种船舶机舱监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶机舱监测系统，包括采集各船舶机舱内监测参数的数据采集网络，以及连接数据采集网络、对采集的监测参数进行分析管理并显示的机舱监测中心；数据采集网络包括分别置于各机舱内的多个独立的无线采集子网，所述无线采集子网包括：连接机舱监测中心的中心节点；以及通过无线网络连接中心节点，分别采集机舱内监测参数并通过中心节点将采集的监测参数发送到机舱监测中心的多个数据采集节点。本发明提供的船舶监测系统不同于现有的有线方式，通过无线网络采集监测参数，节约了机舱空间、降低了布线难度、提高了系统可靠性和实时性且降低了系统维护难度。
Description
技术领域
本发明属于船舶通信技术领域，尤其涉及一种船舶机舱监测系统。
背景技术
船舶机舱监测是指通过对机舱内设备工作状况的实时监测，及时获知设备运行的安全状况，在出现故障时，由值班员及时采取措施，是保证船舶安全可靠航行的必要手段。目前，将WSN技术用于船舶机舱监测具有覆盖面广、监测量大的优点，但其单一的竞争型或分配型MAC协议不能满足突发情况下紧急数据优先传输处理的要求。
为了能够准确可靠地替代轮机员实现对船舶机舱的监测，降低轮机员的巡检工作量，现有提供了一种采用有线方式的船舶机舱监测系统，但由于船舶机舱内设备繁多，布线复杂，且每台设备需监测的各种参数较多，有线方式下繁琐的布线占据了原本有限的机舱空间，提高了布线难度，系统的可靠性差，且系统维护难度大。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种船舶机舱监测系统，以解决现有有线方式的船舶机舱监测系统占据了机舱空间、布线难度大、系统可靠性差且维护难度大的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种船舶机舱监测系统，所述系统包括采集各船舶机舱内监测参数的数据采集网络，以及连接数据采集网络、对采集的监测参数进行分析管理并显示的机舱监测中心；数据采集网络包括分别置于各机舱内的多个无线采集子网，所述无线采集子网包括：
连接机舱监测中心的中心节点；以及
通过无线网络连接中心节点，分别采集机舱内监测参数并通过中心节点将采集的监测参数发送到机舱监测中心的多个数据采集节点。
本发明提供的船舶监测系统不同于现有的有线方式，通过无线网络采集监测参数，节约了机舱空间、降低了布线难度、提高了系统可靠性和实时性且降低了系统维护难度。
附图说明
图1是本发明提供的船舶监测系统的原理图；
图2是本发明中，数据采集节点的结构图；
图3是本发明中，中心节点的结构图；
图4是本发明中，数据采集节点的电路图；
图5是本发明中，数据采集节点的环形天线匹配电路图；
图6是本发明中，中心节点的电路图；
图7是本发明中，船舶监测系统内数据采集节点与中心节点的数据交互流程图；
图8是本发明中，数据采集节点数据交换时段流程图；
图9是本发明中，中心节点数据交换时段流程图；
图10是本发明中，基于CSMA/TDMA混合MAC协议的时序图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供的船舶监测系统包括：采集各船舶机舱内监测参数的数据采集网络1；以及连接数据采集网络1、对采集的监测参数进行分析管理并显示的机舱监测中心2。其中的数据采集网络1进一步包括分别置于各机舱内的多个无线采集子网，该无线采集子网包括：连接机舱监测中心2的中心节点11；以及通过无线网络连接中心节点11，分别采集机舱内监测参数并通过中心节点1将采集的监测参数发送到机舱监测中心2的多个数据采集节点12。其中，无线采集子网可以是现有各种拓扑结构的无线网络，如星型网络、树型网络等；其中，机舱监测中心2与中心节点11之间通过RS-485总线连接；其中，监测参数根据实际需要的不同，可以是指机舱内的温度、湿度、压力、振动幅度等物理量中的一种或几种；其中，数据采集节点12优选布置于机舱底层。
与现有的有线方式不同，本发明提供的船舶监测系统通过无线网络采集监测参数，节约了机舱空间、降低了布线难度、提高了系统可靠性和实时性且降低了系统维护难度。
如图2所示，数据采集节点12包括：采集机舱内监测参数的数据采集单元21；连接数据采集单元21，对监测参数进行处理的第一微处理器单元22；连接第一微处理器单元22，将转换后的监测参数发送给中心节点11的第一无线通信单元23；以及连接数据采集单元21、第一微处理器单元22和第一无线通信单元23的第一电源单元24。
如图3所示，中心节点11包括：连接机舱监测中心2的串行通信单元33；接收中心节点11发送的监测参数的第二无线通信单元31；连接第二无线通信单元31，对监测参数进行处理后通过串行通信单元33发送给机舱监测中心2的第二微处理器单元32；连接第二微处理器单元32，存储无线采集子网的设置参数及报警信息的存储单元34；连接第二微处理器单元32，在监测参数超过报警阈值时发出声光报警的报警单元35；连接串行通信单元33、第二无线通信单元31、第二微处理器单元32、存储单元34和报警单元35的第二电源单元36。
图4以监测参数是温度为例，示出了数据采集节点12的电路。
其中，第一微处理器单元22采用型号为MSP430F149的单片机芯片U2。
其中，数据采集单元21包括一K型热电偶及其调理电路，该调理电路优选为型号为MAX6675的芯片，在实际应用中，可根据监测温升范围的不同，选择其它合适的调理电路。
其中，第一电源单元24是锂电池供电，是一基于型号为TPS60100的电荷泵的稳压电路，输出3.3V电源。
其中，第一无线通信单元23采用型号为nRF905的射频芯片，可以根据监测对象特点选择环形天线或柱状天线，图5是环形天线匹配电路图。
图6是中心节点11的电路图。
其中，串行通信单元33采用型号为MAX485的电路芯片。
其中，第二无线通信单元31采用型号为nRF905的射频芯片。
其中，第二微处理器单元32采用型号为MSP430F149的单片机芯片。
其中，第二电源单元36分别采用型号为LM2575的稳压芯片以输出5V供电电压，并采用型号为LM1117的稳压芯片以输出3.3V供电电压。
其中，存储单元34采用型号为AT24C02的存储芯片。
图7是船舶监测系统中，数据采集节点12与中心节点11的数据交互流程图。每一个数据采集节点12都有唯一的软件地址，这也是数据采集节点12和中心节点11交换数据的标识，中心节点11之间不进行通信。具体流程包括：
步骤S11，组网时段：中心节点11广播组网命令，数据采集节点12以CSMA方式申请加入网络。中心节点11接收到数据采集节点12的申请命令后，给它返回ACK信号，同时建立地址表记录该数据采集节点12地址，数据采集节点12收到ACK信号后，置网络标号为1，表明已成功加入网络。未加入网络的数据采集节点12不能进入下一个时段。
步骤S12，采集/等待时段：中心节点11给在网的数据采集节点12发送采集数据命令，接着做好接收的准备，等待数据采集节点12数据的到来。数据采集节点12收到中心节点11的采集数据命令后，开始采集工作。
步骤S13，数据交换时段。
步骤S14，休眠/串口通信时段：数据采集节点12返回采集到得数据之后进入休眠时段，直到下一个循环周期到来时再唤醒。中心节点11则在这一时段等待并响应串口通信命令。
其中，步骤S13包括有数据采集节点12的数据交换时段和中心节点11的数据交换时段。数据采集节点12的数据交换时段的流程如图8所示，中心节点11的数据交换时段的流程如图9所示，该时段设计了一种基于CSMA/TDMA的混合MAC协议——数据采集节点12采集数据完毕之后，将数据与报警值相比，如果超出报警值，则判定自己为优先节点，否则为普通节点。优先节点具有较高的发送优先级，采用CSMA方式通信，而普通节点采用TDMA方式通信。当中心节点11接收完所有优先节点的数据时，它会查询地址表，知道网络中还有哪些普通节点，并根据普通节点的地址分配时隙优先级，同时把这些时隙分配的信息封装在同步命令中。普通节点接收到同步命令后，能够解析出自己的时隙优先级，从而设置定时时间，在属于自己的时隙内发送数据。此外，如果中心节点11连续三个周期没有收到数据采集节点的数据，就认为该数据采集节点已经掉电退出网络了，就会发出声光报警通知工作人员处理，同时删除其在地址表中的地址。
具体地，如图8所示，数据采集节点12的数据交换时段流程包括以下步骤：
步骤S21，数据交换时段开始后，判断是否是优先节点，是则执行步骤S22，否则执行步骤S27。
步骤S22，判断CD是否是1，是则执行步骤S24，否则执行步骤S23。
步骤S23，返回采集数据。
步骤S24，产生一个随机延时。
步骤S25，判断是否收到ACK，是则执行步骤S26，否则执行步骤S22。
步骤S26，进入休眠时段。
步骤S27，等待中心节点同步命令。
步骤S28，解析同步命令，确定时隙，延时发送数据。
具体地，如图9所示，中心节点11的数据交换时段流程包括以下步骤：
步骤S31，数据交换时段开始后，置nRF905为接收状态。
步骤S32，判断是否有优先节点返回的数据，是则执行步骤S33，否则执行步骤S34。
步骤S33，接收并处理突发数据，返回ACK。
步骤S34，延时一段时间。
步骤S35，判断是否到定时时间，是则执行步骤S36，否则执行步骤S31。
步骤S36，发送同步命令。
步骤S37，接收普通节点返回的数据。
步骤S38，进入串口通信时段。
图10是本发明所设计的基于CSMA/TDMA混合MAC协议的时序图，在数据交换时段T3内，t0-t1传输帧头消息，表明该时段的开始并判断节点为普通节点或优先节点；t1-t2优点节点竞争信道，以CSMA方式发送数据；中心节点不断监听信道，当检测到信道持续空闲t2-t3时间，表明所有优点节点的数据接收完毕，立即广播同步信号(t3-t4)，以TDMA方式接收普通节点数据(t4-t5)。优先节点和普通节点在发送完数据之后都进入休眠状态。
本发明提供的船舶监测系统不同于现有的有线方式，通过无线网络采集监测参数，在无线网络内部，为了使中心节点和数据采集节点的通信同步有序地进行，设计时把整个网络通信分为组网时段、采集/等待时段、数据交换时段、休眠/串口通信时段。各个时段分工明确同时又紧密配合，共同完成对数据的原始采集、紧急数据优先传输和报警响应等功能。所设计的CSMA/TDMA混合MAC协议能够迅速响应故障报警，有效保障设备的安全运行，同时节约了机舱空间、降低了布线难度、提高了系统可靠性且降低了系统维护难度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种船舶机舱监测系统，其特征在于，所述系统包括采集各船舶机舱内监测参数的数据采集网络，以及连接数据采集网络、对采集的监测参数进行分析管理并显示的机舱监测中心；数据采集网络包括分别置于各机舱内的多个无线采集子网，所述无线采集子网包括：
连接机舱监测中心的中心节点；以及
通过无线网络连接中心节点，分别采集机舱内监测参数并通过中心节点将采集的监测参数发送到机舱监测中心的多个数据采集节点。
2.如权利要求1所述的船舶机舱监测系统，其特征在于，所述无线采集网络是星型拓扑结构的网络；机舱监测中心与中心节点之间通过RS-485总线连接；
所述监测参数是机舱内的温度、湿度、压力、和/或振动幅度。
3.如权利要求1所述的船舶机舱监测系统，其特征在于，数据采集节点包括：
采集机舱内监测参数的数据采集单元；
连接数据采集单元，对监测参数进行处理的第一微处理器单元；
连接第一微处理器单元，将转换后的监测参数发送给中心节点的第一无线通信单元；
连接数据采集单元、第一微处理器单元和第一无线通信单元的第一电源单元。
4.如权利要求3所述的船舶机舱监测系统，其特征在于，第一微处理器单元采用型号为MSP430F149的单片机芯片；数据采集单元包括一K型热电偶及其调理电路，该调理电路为型号为MAX6675的芯片；第一电源单元是一基于型号为TPS60100的电荷泵的稳压电路；第一无线通信单元采用型号为nRF905的射频芯片。
5.如权利要求1所述的船舶机舱监测系统，其特征在于，中心节点包括：
连接机舱监测中心的串行通信单元；
接收中心节点发送的监测参数的第二无线通信单元；
连接第二无线通信单元，对监测参数进行处理后通过串行通信单元发送给机舱监测中心的第二微处理器单元；
连接第二微处理器单元，存储无线采集子网的设置参数及报警信息的存储单元；
连接第二微处理器单元，在监测参数超过报警阈值时发出声光报警的报警单元；
连接串行通信单元、第二无线通信单元、第二微处理器单元、存储单元和报警单元的第二电源单元。
6.如权利要求5所述的船舶机舱监测系统，其特征在于，串行通信单元采用型号为MAX485的电路芯片；第二无线通信单元采用型号为nRF905的射频芯片；第二微处理器单元采用型号为MSP430F149的单片机芯片；第二电源单元分别采用型号为LM2575的稳压芯片以输出5V供电电压，并采用型号为LM1117的稳压芯片以输出3.3V供电电压；存储单元采用型号为AT24C02的存储芯片。
7.如权利要求1所述的船舶机舱监测系统，其特征在于，所述数据采集节点与中心节点的数据交互过程包括以下步骤：
步骤S11，组网时段：中心节点广播组网命令，数据采集节点以CSMA方式申请加入网络；中心节点接收到数据采集节点的申请命令后，给它返回ACK信号，同时建立地址表记录该数据采集节点地址，数据采集节点收到ACK信号后，置网络标号为1，表明已成功加入网络；未加入网络的数据采集节点不能进入下一个时段；
步骤S12，采集/等待时段：中心节点给在网的数据采集节点发送采集数据命令，接着做好接收的准备，等待数据采集节点数据的到来；数据采集节点收到中心节点的采集数据命令后，开始采集工作；
步骤S13，数据交换时段；
步骤S14，休眠/串口通信时段：数据采集节点返回采集到的数据之后进入休眠时段，直到下一个循环周期到来时再唤醒；中心节点则在这一时段等待并响应串口通信命令。
8.如权利要求7所述的船舶机舱监测系统，其特征在于，步骤S13包括数据采集节点的数据交换时段，包括以下步骤：
步骤S21，数据交换时段开始后，判断是否是优先节点，是则执行步骤S22，否则执行步骤S27；
步骤S22，判断CD是否是1，是则执行步骤S24，否则执行步骤S23；
步骤S23，返回采集数据；
步骤S24，产生一个随机延时；
步骤S25，判断是否收到ACK，是则执行步骤S26，否则执行步骤S22；
步骤S26，进入休眠时段；
步骤S27，等待中心节点同步命令；
步骤S28，解析同步命令，确定时隙，延时发送数据。
9.如权利要求7所述的船舶机舱监测系统，其特征在于，步骤S13包括中心节点11的数据交换时段，包括以下步骤：
步骤S31，数据交换时段开始后，置nRF905为接收状态；
步骤S32，判断是否有优先节点返回的数据，是则执行步骤S33，否则执行步骤S34；
步骤S33，接收并处理突发数据，返回ACK；
步骤S34，延时一段时间；
步骤S35，判断是否到定时时间，是则执行步骤S36，否则执行步骤S31；
步骤S36，发送同步命令；
步骤S37，接收普通节点返回的数据；
步骤S38，进入串口通信时段。
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