基于ZigBee的船艙環境參數監控系統研究

劉春陽，周海峰，李宇飛，邊婷婷，劉 濤

(1．集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021；2．福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021；3．金華市質量技術監督檢測院，浙江 金華 321000)

基于ZigBee的船艙環境參數監控系統研究

劉春陽1,2，周海峰1,2，李宇飛1,2，邊婷婷1,2，劉 濤3

(1．集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021；2．福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021；3．金華市質量技術監督檢測院，浙江 金華 321000)

通過 IAR Embedded Workbench軟件編譯船艙環境采集系統程序，采用單播形式建立底層ZigBee通信網絡，環境采集系統MCU采用CC2530芯片，并設計合理的外圍電路，實現船艙溫濕度及LED光強信息的實時采集。在船艙不同位置布置超聲增濕器和PWM無極調光系統，對不符合艙室要求的環境實時調節控制，同時和船舶空調系統對比，通過船舶局域網，把ZigBee采集的信息傳送到管理中心，上位機通過LabVIEW進行仿真研究，實時監控船艙的環境動態，通過實驗分析，系統可以很好的監控船艙環境，達到理想效果。

ZigBee；溫濕度；LED；無線傳感；LabVIEW

0 引 言

隨著電子技術、信息技術的飛速發展，船舶自動化程度不斷提高，傳感技術正越來越多的被運用在船舶領域，目前傳感技術主要應用在船舶發動機轉速、壓力以及排放特性等方面的研究，通過在發動機不同位置布置傳感器，得到我們期望的數據以進行結構優化。船舶對溫度、濕度等環境信息的采集，還是采用傳統的有線方式，增加或減少監測節點有很大的局限性，當船艙環境異常時不能做到實時控制，這必然會對船舶的綜合性能造成一定影響。根據要求，船上大部分艙室都有空調系統，它是用來保證人員和設備正常工作的重要設備，其運行效果直接影響到船員的工作狀態和設備的正常運行，但是船舶空調系統控制復雜，管路分布繁瑣，施工困難，本系統和船用空調配合使用，會起到很好的效果。

1 系統構架方案

基于ZigBee無線傳感網絡的溫濕度及LED光強控制系統能無線采集監控同一船舶多個艙室的溫度，濕度，光照強度等影響貨物和人員生活的環境參數，主要由監控艙室內ZigBee多參數采集控制系統，船舶無線局域網(WiFi)以及上位機LabVIEW監測軟件。其中，各個船艙內的ZigBee無線傳感網絡負責采集船艙的溫度，濕度，光照強度環境參數并對參數進行適量調整，船舶無線局域網基于無線路由器構建，為整個系統提供無線通訊網絡，各個艙室通過船舶無線局域網把采集到的數據傳輸到船舶管理處，監控系統通過船舶的無線局域網來實現網絡連通，基于LabVIEW的上位機監測軟件對所有ZigBee采集系統收集到的數據進行集中監測[1-3]。

根據系統的要求，設計ZigBee溫室環境多參數監測控制系統硬件結構，該硬件系統以CC2530芯片為主控制機，外圍電路主要包括時鐘電路，復位電路，DHT11溫濕度采集電路，HA2003光強采集電路，PWM無極調光電路以及超聲波增濕電路。ZigBee船艙環境多參數監測控制系統主要實現如下功能：(1)溫濕度采集，根據溫濕度傳感器DHT11的感應控制進行船艙溫濕度采集；(2)溫濕度控制：根據DHT11采集的數據，超聲波增濕模塊做出相應調整，以達到最佳溫濕度范圍；(3)光照度采集，根據光照度傳感器HA2003，將光照強度轉化為電壓值，以此得到艙室內光照強度；(4)光照強度控制，利用PT4115驅動器和繼電器等實現船舶艙室內LED的PWM無極調光。

2 ZigBee船艙監控系統設計

2.1ZigBee采集系統設計

系統中，ZigBee采用單播組網方式，在船艙內均勻布置3個ZigBee采集節點，用以采集艙室內的溫濕度及光強信息，采集節點采用5號電池供電，根據不同需要可以隨意變動位置，有很強的可塑性。ZigBee網絡協調器主要負責船舶艙室ZigBee網絡的建立以及網絡的配置，接收采集節點數據信息，每個艙室配置一個ZigBee協調器節點，如圖1所示。

圖1 ZigBee網絡結構圖

實現溫濕度采集功能的核心器件為DHT11溫濕度傳感器，根據系統要求，在船艙內不同區域均勻布置若干個溫濕度采集節點，連續收集船舶艙室的溫濕度，準確反映出所測艙室環境的溫濕度并長時間穩定工作。考慮到采集環境的特殊性，又考慮到傳感器模塊的大小、成本、測量精度、靈敏度、穩定性等因素，所以選用DHT11數字溫濕度傳感器進行溫濕度采集。

DHT11傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫度傳感器技術，傳感器包括一個電阻式感濕原件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連。供電電壓為3.3～5.5 V DC、輸出單總線數字信號、濕度測量范圍20%～90%RH，溫度測量范圍0～50 ℃、濕度測量精度+-5%RH，溫度測量精度+-2 ℃、濕度分辨率1%RH，溫度分辨率1 ℃。如圖2所示DHT11溫濕度傳感器與CC2530電路連接圖。

圖2 DHT11溫濕度傳感器與CC2530電路連接圖

在本系統中，采集節點的溫濕度信息采集通過連接DHT11 與CC2530的P1_1端口來讀取數字信息，DHT11傳輸一次數據的長度為40b，分為五部分：濕度整數數據8b+濕度小數數據8b+溫度整數數據8b+溫度小數數據8b+校驗和8b。CC2530按照時序讀取DHT11的數據時必須把總線拉低大于18 ms，保證DHT11可以接收到初始信號，DHT11接收到開始信號后，會發送一段80微秒的低電平響應信號，CC2530延時等待30微秒后，讀取DHT11的響應信號，CC2530可以切換到輸入模式或是輸出高電平模式，DHT11發送響應后把總線拉高80微秒，準備發送數據，當數據發送完畢后，DHT11拉低CC2530 50微秒，然后CC2530進入空閑狀態。CC2530讀取DHT11數據流程如圖3所示。

圖3 DHT11數據流程

光照度傳感器選用HA2003光強傳感器，其采用先進光電轉換模塊，將光照強度轉化為電壓值，再經調理電路將此電壓值轉換為0～2 V或4～20 mA。其量程為200～200 000 Lux，光譜范圍為400～700 nm可見光，廣泛應用于各種環境下的實驗。光照度采集程序的關鍵是依據HA2003的控制邏輯采集光照強度對應的電壓和電流信號。光強控制系統將按照HA2003反饋的電壓和電流值對艙室內的光強做出相應的反饋處理。

2.2控制系統設計

控制系統需要及時對環境狀況進行反饋處理，能夠及時反饋采集節點收集的溫濕度及LED光強信息，同時智能調節溫濕度控制器和繼電器。終端控制系統主要由超聲波增濕模塊，ZigBee信息接收模塊，PT4115驅動器和繼電器等組成。其中ZigBee信息接收模塊收集來自采集節點發送的信息；繼電器實現對LED開關量的控制；PT4115應用脈沖恒流源驅動技術控制電流脈沖頻率和占空比實現LED的PWM無極調光，達到合理照明度。如圖4所示為濕度控制系統各模塊之間電路連接圖。圖5所示為LED光強控制系統電路連接圖。

圖4 濕度控制系統電路連接圖

2.3ZigBee轉船舶局域網

系統的網絡分為兩部分，在船舶艙室內ZigBee實現各個傳感器到數據采集器的無線傳輸；各個艙室的數據采集器到PC機之間的通訊連接由船舶局域網WiFi來實現，網絡拓撲如圖6所示。

圖6 船艙監控系統網絡拓撲圖

WiFi支持兩種網絡形式：一種是通過AP或無線路由器接入WiFi網絡進行通信，另一種是WiFi設備間通過AD-HOC直接相連，實現“點對點”通信。系統選用通過AP 無線路由器接入WiFi網絡的方式，實現一對多點的通信。

WiFi通信電路的核心器件為串口轉WiFi接口模塊HLK-RM04，該器件與ZigBee的串口進行連接。HLK-RM04與ZigBee連接并正確設置參數后，通過ZigBee串口發送的數據會自動通過WiFi接口發送，發送至WiFi接口的數據也會自動發送至ZigBee的串口。WiFi通信電路的詳細設計如圖7所示。

圖7 串口轉WiFi電路

在AT模式下，可以通過串口的AT指令對系統的參數做配置：指令格式如下：

at+[command]=[value]

根據不同命令模塊將返回不同的返回值。

例：at+remoteip=192.168.11.133 設置遠端ip 地址為192.168.11.133。

例：”at+remoteip=？ ”查詢遠端ip 地址

當HLK-RM04串口轉WiFi模塊上電后，會搜尋到WiFi信號，按下DEFAULT鍵6秒后即可。模塊通過RS-232連接到電腦上，設置正確的COM口， 比特率，網絡模式等，搜索模塊即可和ZigBee信息采集器相連，具體如圖8所示。

圖8 串口轉WiFi連接狀態

3 人機交互顯示界面設計

使用LabVIEW編寫終端顯示界面，可以直觀了解到船舶上各個艙室基本環境信息，有助于管理人員做出正確分析與判斷。LabVIEW支持多種通道的通信方式，由于文中WiFi模塊和LabVIEW是通過無線相連，所以選用基于LabVIEW的TCP/IP通信連接。

在LabVIEW控制程序中，程序與底層硬件之間的通信是通過WiFi模塊的IP地址來實現，在LabVIEW程序面板輸入正確的IP地址和端口號，即可進行信號通信。LabVIEW收集到信號后需要對信號進行分解截取，在ZigBee信息采集程序中預先設定溫度濕度和光照度的字節長度，當LabVIEW采集到信息并進行強制轉換后，LabVIEW創建索引數組，對信號長度進行截取以顯示到前面板[7]。

采集的信號通過波形圖表、滑動桿和數值三種方式顯示出來，并根據各個大棚的不同情況設置溫度上下限，濕度上下限，光強上下限。當環境出現異常，LabVIEW會發出報警提示。具體界面如圖9所示。

圖9 LabVIEW顯示界面

4 結束語

文中針對船舶艙室環境不易監控的問題，提出一種基于ZigBee的船艙環境參數監控系統，采用ZigBee和WiFi配合傳輸的方式，可以靈活改變監控區域，通過LabVIEW實現終端監測功能，通過實驗仿真得出較好的效果。系統可以省去人工巡視等繁瑣工作，真正做到現代化，智能化。

[1] 朱仲英. 傳感網與物聯網的進展與趨勢[J]. 微型電腦應用, 2010(1): 35-37.

[2] 崔莉, 鞠海玲, 苗 勇, 等. 無線傳感網絡研究進展[J]. 計算機研究與發展, 2005,42(1): 166-174.

[3] 孟慶斌, 潘 勇. 基于CC2430的分布式無線溫度測量系統設計[J]. 電子測量技術, 2009(5): 128-130.

[4] CC253X Users Guide [EB/OL].[2010-06-25]. http:∥focus Manual(JN-RM-2014), Jennic, 2007.

[5] Enery Efficient Wireless Sensor Networks.pdf [EB/OL]. http:∥www.lib.whu.edu.cn/download.

[6] Power Management for CC2530EB.pdf [EB/OL]. www.ti.com/z-stack.

[7] National Instrunments Corporation. LabVIEW Basic I: Introduction Course Manual. 2008.

Environmental Paramenters Monitoring System in Engine Room Based on ZigBee

LIU Chun-yang1,2, ZHOU Hai-feng1,2, LI Yu-fei1,2, BIAN Ting-ting1,2, LIU Tao3

(1. Marine Engineering Institute of Jimei University Xiamen 361021, Fujian Province, China; 2. Provincial Key Laboratory of Naval Architecture & Ocean Engineering, Xiamen 361021, Fujian Province, China; 3. Jinhua Supervising and Testing Institute of Quality and Technology, Jinhua 321000, Zhejiang Province, China)

The cabin environment acquisition system program is compiled by using the IAR embedded workbench software, underlying ZigBee communication network established through the unicast form. The environmental acquisition system MCU using CC2530 chip, and design reasonable peripheral circuit, to achieve real-time acquisition of the cabin temperature and humidity and LED light intensity information. In cabin located ultrasonic humidifier and PWM regulating light system, to regulation and control the cabin environment that does not conform the requirements，contrast with the ship air conditioning system at the same time.The ZigBee transmitted collection information to a management center. Upper computer simulation and real time monitoring control cabin of a dynamic environment by LabVIEW. Through experimental analysis, the system can monitor the cabin environment to achieve the ideal effect.

ZigBee; Temperature and humidity; LED; Wireless sensor；LabVIEW

2015-05-21

2015-06-09

國家自然科學基金(51179074；51309116)；集美大學博士啟動金(ZQ2013007)；產學研項目(S13060)

劉春陽(1990.02-)男，河南信陽，碩士研究生，研究方向為船舶與海上裝置能源工程。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.07.012

TN915.02

B

1009-3230(2015)07-0040-05