CN103034189A

CN103034189A - 船舶货舱温度无线遥测系统

Info

Publication number: CN103034189A
Application number: CN2012105056856A
Authority: CN
Inventors: 李荭娜
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-04-10

Abstract

一种船舶货舱温度无线遥测系统。包括货舱部分和控制室部分；货舱部分有温度传感器、发射单片机、编码芯片、无线发射器、天线和电源；控制室部分有天线、无线接收器、解码芯片、接收单片机、RS232电平转换器和PC机；温度传感器根据特殊货物需要，安装在货舱不同位置和货物不同深度。发射单片机，每货舱一个，用于采集该货舱内设置的多个温度传感器送来的信号、检测电源电量并把这些数字信号和状态信息送给编码芯片，然后由无线发射器发射。无线接收器和解码芯片，接收发射的信号、拆包并解码，然后经接收单片机送入PC机。本发明具有安装方便、数字化程度高、精度好、适应性强、性价比高等特点，亦可在多种温度检测中应用。

Description

船舶货舱温度无线遥测系统

所属领域

本发明属于测试技术领域。特别涉及一种适用于远洋船舶货舱温度测量的无线遥测系统。

背景技术

船舶货舱火灾可能造成巨大损失。若能及时探测货舱温度异常并报警，则可大幅减少甚至避免火灾损失。而船舶航行中，货舱通常处于封闭状态且可能缺氧或有毒气体浓度过高，船员不可能频繁出入货舱实地检测。

货舱火警监测，目前一般是烟雾探测，一旦货舱火警，需待烟雾传送至驾驶台才检测报警，延时较长，可能已形成火灾。所以货舱温度监测报警至关重要。

目前，船用温度遥测与报警系统依然以烟雾探测为主，国内外产品不足之处有三：

其一，测试系统全部是有线传输，造价高且维护不便；

其二，温度传感器只能固定安装（例如在舱顶和舱壁）而不能随意移动，而远洋运输某些因外界气温高易诱发自燃的特殊货物需在货舱不同位置和货物不同深度安装温度传感器；

其三：某些独自测温及电子屏显示的温度监测系统，只能独立报警，不能与全船监测系统对接，主要原因是上位机、下位机的接入形式技术难度大、前期开发的工作量大。则限制了信号的进一步传输和处理，限定了全船报警系统的系统性、联动性。

发明内容

本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种船舶货舱温度无线遥测系统。此系统可与全船监测、报警系统对接，使PC机极大利用了被测量的资源。

本发明提供的船舶货舱温度无线遥测系统包括货舱部分和控制室部分；

货舱部分有温度传感器（含连接线）、发射单片机、编码芯片、无线发射器（DF）、天线和电源等；

温度传感器，用于感知周围温度，并转换成带符号的数字量信号；温度传感器采用DS18B20（含连接线），可根据特殊货物需要，安装在货舱不同位置和货物不同深度。

发射单片机，每货舱一个，用于采集该货舱内设置的多个温度传感器送来的信号、检测电池电量并把这些数字信号和状态信息送给编码芯片PT2262。电池电量的检测功能集成在单片机系统里，无需外界干涉。

编码芯片和无线发射器将发射单片机送来的数字信号和状态信息进行编码并发射；

所述的编码芯片、发射单片机、无线发射器（DF）、天线和电源设置在一个控制箱内，除电源以外其余都集成在一块电路板上，电路板和电池装在一个控制箱内。

控制箱根据每个船舱的实际情况可以安装在舱内、舱外或舱口都行，控制箱可挂装，水平安装都可以。

供电电源在设计上采用电池向发射单片机、编码芯片（PT2262）和无线发射器供电。电池的选择只要保证电压范围为9~12V即可。本系统采用的是汤浅NP系列电池，具体的型号是：NP7-12，电池端电压是12V，7Ah,无游离酸，电池可倒放90°安全使用。电池设计寿命5年。电池的主要耗电是发射数据的功耗，其他的功耗很低可以不计，发射时大约需要55mA电流，持续发射的时间大约是10ms。控制箱会有电量检测和提示的功能，将要没电的时候会提前提示，将这些信息在每次发射温度数据的时候一起发射到PC机（人机界面）。

控制室部分有天线、无线接收器、解码芯片、接收单片机、RS232电平转换器和PC机等；控制室各组件由船舶电网供电，不另设电源。由此，构成探测、显示、记录货舱温度，以及货舱高温报警系统。

无线接收器和解码芯片，接收货舱部分发射的信号、拆包并解码，将解码的信号送给接收单片机。

接收单片机，通过RS232电平转换器，将解码芯片PT2272传来的信号转换成PC机（人机界面）可接受的信号从而在PC机的人机界面显示，同时PC机记录探测结果并报警，以及显示电池电量信息；

接收单片机通过串口与PC机通信，不仅在PC机中可灵活的编制报警程序，也可使得PC机极大利用了被测量的资源，利于整个船舶自控与测量系统的统一管理。

PC机与单片机的串行通信用VB实现。接收部分的AT89C2051单片机通过RS232接口和PC机进行通信，因VB有自带的通信控件MsComm，可用VB完成串行通信，所以由单片机采集外部温度数据，然后送入PC机进行数据处理。

发射单片机和接收单片机均采用AT89C2051，体积小，功耗低，抗干扰能力强；

本发明的优点和有益效果：

本发明系统的传感器，采用无线遥测方式，可随意安装在货舱的任一位置，可方便地检测并记录0~+100℃范围内的温度。无线数据传输距离可达200～300米，且可在有障碍物，如墙壁、房间的情况下，仍能很好的接收数据，传感器的单点测量误差在0.5℃以内。由于采用了DF无线数据传输方式及与PC采用串口通信，不仅在PC机中可灵活地编制报警程序，也可使得PC机极大利用被测量的资源，有利于整个船舶自控与测量系统的统一管理。且此设计可与全船监测、报警系统对接。该系统的传感器，采用无线遥测方式，可随意安装在货舱的任一位置，具有安装方便、数字化程度高、精度好、适应性强、性价比高等特点,亦可在多种温度检测中应用。

本发明由于采用了DF无线数据传输方式，克服了有线传输的地域限制，可随意安装在货舱的任一位置，且安装方便、数字化程度高、精度好、适应性强、可方便地检测并记录0~+100℃范围内的温度。性价比高,亦可在多种温度检测中应用。

本发明由于与PC机采用串口通信，不仅在PC机中可灵活地编制报警程序，也可使得PC机极大利用被测量的资源，有利于整个船舶自控与测量系统的统一管理。且本设计对这种上下位机的形式给出了很具体的硬件通讯形式，同时对软件通讯协议、软件编程都给出了详细的、产品化讲解。对同类产品的升级有很好的参考作用。

附图说明

图1是船舶货舱温度无线遥测系统发射和接收装置电路图。

图2是系统程序流程图。

图3是发射端逻辑上层示意图。

图4是发射端逻辑底层示意图。

图5是信号传输简图。

图6是编码芯片PT2262与DF无线发射电路的接口方式接线示意图。

具体实施方式

实施例

接收单片机，通过RS232电平转换器，将解码芯片PT2272传来的信号转换成PC机（人机界面）可接受的信号从而在PC机的人机界面显示，同时PC机记录探测结果并报警，以及显示电池电量信息。本发明船舶货舱温度无线遥测系统发射和接收装置电路如图1所示。

本发明供电电源采用电池向发射单片机、编码芯片（PT2262）和无线发射器供电。电池的选择只要保证电压范围为9~12V即可。本系统采用的是汤浅NP系列电池，具体的型号是：NP7-12，电池端电压是12V，7Ah,无游离酸，电池可倒放90°安全使用。电池设计寿命5年。电池的主要耗电是发射数据的功耗，其他的功耗很低可以不计，发射时大约需要55mA电流，持续发射的时间大约是10ms。供电电池按照NP7-12的容量计算，假设控制箱10分钟发射一次船舱温度数据（采集温度数据在PC机界面上可以设置的），电池的更换周期大约是80天左右的。可以更换电量更大的电池，只要保证电压在9~12V就行，同时控制箱会有电量检测和提示的功能，将要没电的时候会提前提示，将这些信息在每次发射温度数据的时候一起发射到PC机（人机界面）。

编码芯片PT2262和解码芯片PT2272，内部频率发生器采用电阻振荡方式，使用PT2262必须配合PT2272设计。无线发射-接收器采用通用的DF无线传输模块，调幅AM通讯，便宜耐用，频率稳定度极高。

控制室部分的无线接收器（DF）和解码芯片PT2272、接收单片机（AT89C2051）、RS232电平转换器、人机界面（可使用船舶原有的），包括天线，布置、安装都没问题。

货舱部分的温度传感器、发射单片机（AT89C2051）、编码芯片（PT2262）和无线发射器（DF）、天线、电池等的布置、安装：

每个货舱布置一个控制箱，控制箱的尺寸长150mm、宽150mm、高150mm。控制箱的两侧留有连接温度传感器和天线接口。控制箱根据每个船舱的实际情况可以安装在舱口内、舱外或舱口都行，控制箱可挂装，水平安装都可以。天线和电路板采用同轴电缆连接，如果控制箱装在船舱的内部的情况下要保证天线通过同轴线缆安装在船舱的外面。

一个控制箱，理论上可以带很多（同时连接多个）DS18B20温度传感器，但考虑实际的单片机的程序负担、电池供电等问题，所以设定一个发射器单元带32个DS18B20温度传感器。如果采用普通的1平方毫米的多芯线缆DS18B20可置于离控制箱150米以内的任何地方，如果稍稍的增加一点成本的话采用同轴屏蔽线缆DS18B20可置于离控制箱300米以内的任何地方。传感器布置的一般规律是可视范围内30米一个，如果不可视的重要位置就要一个位置一个了。传感器冗余的线缆要盘起来绑好。

基本原则就是突出重点，照顾全面。重点的地方多放几个传感器同时要尽量分布广泛。因为每个传感器的测温精度是0.5度，所以在一个密闭的空间里稍有问题的话温度会升高的很快的，稍有温度变化马上就会感知到的。无需添加外部元件。

无线接收部分与计算机通信是采用RS232接口。本系统采用单工单发单收，采用逻辑分层（上下两层），好处在于编程时不必考虑怎样实现分层，降低编程难度。

发射端，上层是打包数据层，底层是无线发送层。发射端逻辑上层如图3，把一组8位温度数据打包。首先，两个字节的起始字；后接可扩展一字节的帧类型和两字节的帧长度；后面就是测量而得的数据（长度由“帧长度”字节指定）；把测量数据和帧长度字节进行异或得到校验和字节。发射端逻辑底层如图4，把上层打包组成的数组的8位字节元素拆分成4个4位DF发射数据，4位数据的前两位作为帧号。接收端与发射端相反，上层是拆包数据帧，底层是无线接收层，把接收的4位DF格式的数据组合成8位数据。

发射器与接收器采用无线通讯，单工模式（单向传输模式）。信号传输如图5所示。

编码芯片PT2262与DF无线发射电路的接口方式如图6所示，没有数据要发送时P3.0口输出高电平关闭发射电路节省电量。PT2272与DF模块的连接和图6基本相同，把PT2272的DIN脚与DF接收器的波形输出脚相连，电阻R为200K，另外VT脚输出给单片机中断脚P3.2。

海面上的电磁环境是个很复杂、很恶劣的环境，电磁波干扰严重。对无线传输的干扰很厉害。所以国内的同类产品都不能突破这个问题而采用有线连接。为了应对复杂的海面电磁环境，我们采取的措施分硬件措施和软件措施。硬件方面的措施：电路板加装屏蔽罩，屏蔽外来的电磁波，从空间上阻断电磁波的干扰途径。在电路板上对无线通讯用的315MHz以外的所有频率电磁波进行强制的幅值衰减，减少这些电磁波对通讯电路的干扰。从线缆的传输途径上阻断电磁波的干扰。

软件方面的措施：采用多重数字滤波，在实际的应用中，选用滤波器应视具体的情况而定，选择滤波器种类不当、滤波因子不当都会影响滤波效果、降低传感器的灵敏度。本系统采用的是包括限幅滤波、中值滤波、算术平均滤波在内的多重滤波方式。首先采用限幅滤波滤除大的随机干扰或偏离实际值太远的数据。其次是中值滤波滤除脉冲干扰等偶然因素引发的干扰。最后算术平均滤波滤除周期性的干扰。滤波因子是经过大量的实验后平衡传感器的灵敏度和可靠性之后确定的，具有很强的适用性。

采用以上的措施为温度采集及数据传输保驾护航。也克服了同类产品都是有线传输的不足，省去了部分线缆减低了成本。

为了传感器也能适应液货舱液体的环境，要对其进行封装。在保证不影响它的感温灵敏度和绝缘性的双重要求下用不锈钢管对其用导热绝缘物进行填充封装。其难点是封装工艺和长导线情况下信号传输。

封装工艺：在不锈钢管内壁贴导热矽胶片、放入已经连好线的传感器、填充导热硅脂、最后用环氧树脂封口。对长导线信号传输采用全差分信号传输方式，克服了长线信号传输的畸变。封装后的传感器长100mm，直径8mm,体积小巧、扩大了原传感器的感温面积。更重要的是非常方便固定，简单的一个带吸盘的线扣都能固定它。更换布置位置很方便，能监测液体温度。克服了同类传感器的这方面的不足。

本发明设计中，硬件电路均按照够用、实用的原则选择元件，整套硬件（一套船舱控制箱+4个传感器+一套控制室的接受器）不过一百多元，若多舱配备多传感-发射器的话，每增加一个传感-发射器只不过增加十几元。

某些国内同类产品都是独自测温及电子屏显示的温度监测系统，只能独立报警，不能与全船监测系统对接的主要原因是本文介绍的上位机、下位机的形式技术难度大、前期开发的工作量大。

技术难度大除了上面提的以外，还有软件方面的难度。上位机软件要能融入全船监测系统就要求这部分软件的要有极高的模块化，好的可移植性。对于编程人员是个考验。工作量大体现在要了解现有全船监测系统的功能，甚至要读这部分软件的源代码以便能做到无缝接入。本设计对这种上下位机的形式给出了很具体的硬件通讯形式，同时对软件通讯协议、软件编程都给出了详细的、产品化讲解。对同类产品的升级有很好的参考作用。

Claims

1.一种船舶货舱温度无线遥测系统，其特征在于该遥测系统的组成包括货舱部分和控制室部分；

货舱部分包括：温度传感器、发射单片机、编码芯片、无线发射器、天线和电源；其中：

温度传感器，用于感知周围温度，并转换成带符号的数字量信号；

发射单片机，每货舱一个，用于采集该货舱内设置的多个温度传感器送来的信号、检测电池电量并把这些数字信号和状态信息送给编码芯片；

编码芯片和无线发射器，将发射单片机送来的数字信号和状态信息进行编码并发射；

控制室部分包括：天线、无线接收器、解码芯片、接收单片机、RS232电平转换器和PC机；

无线接收器和解码芯片，货舱部分发射的信号，拆包并解码，将解码的信号送给接收单片机；

接收单片机，通过RS232电平转换器，将解码芯片传来的信号转换成PC机可接受的信号从而在PC机的人机界面显示，同时PC机记录探测结果并报警，以及显示电池电量信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的编码芯片、发射单片机、无线发射器、天线和电源设置在一个控制箱内，除电源以外其余都集成在一块电路板上，电路板和电源装在一个控制箱内；控制箱根据每个船舱的实际情况安装在舱内、舱外或舱口，控制箱采用挂装或水平安装。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的温度传感器采用DS18B20，根据特殊货物需要，温度传感器安装在货舱不同位置和货物不同深度。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的发射单片机和接收单片机均采用AT89C2051。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的接收单片机通过串口与PC机通信，不仅在PC机中能够灵活的编制报警程序，也能够使PC机极大利用被测量的资源，利于整个船舶自控与测量系统的统一管理。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述的接收单片机与PC机之间的串行通信用VB实现。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的电源采用电池向发射单片机、编码芯片和无线发射器供电。