基于STM32的漁船油耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊鄭明，徐軼群

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院 船舶與海洋工程福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361000)

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基于STM32的漁船油耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊鄭明，徐軼群

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院 船舶與海洋工程福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361000)

針對漁船燃油消耗過高以及漁業(yè)監(jiān)管部門對大量漁船監(jiān)管不便的問題，利用物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)的功能，設(shè)計(jì)基于STM32的漁船油耗監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由監(jiān)測中心計(jì)算機(jī)、油耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、無線傳透模塊和感應(yīng)式流量計(jì)構(gòu)成。利用CC2530F256芯片為核心的ZigBee模塊，實(shí)現(xiàn)全港口網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的功能。下行通過ZigBee協(xié)調(diào)器與分布在漁船上的ZigBee路由器聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)漁船油耗數(shù)據(jù)的采集與傳輸,經(jīng)由油耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)主控芯片STM32F207Z進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析與存儲(chǔ)，上行通過RS232實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測計(jì)算機(jī)的通訊。在福州某港口試驗(yàn)證明，可實(shí)現(xiàn)漁船油耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)管部門對漁船的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

STM32；漁船油耗；ZigBee；遠(yuǎn)程監(jiān)測

我國是世界上的漁船大國，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有漁船的數(shù)量接近100萬艘，年消耗柴油高達(dá)700萬多t，約占全國柴油總消耗量的13%，占海洋漁業(yè)生產(chǎn)成本的50%以上[1-4]。燃油消耗過高已經(jīng)成為制約海洋漁業(yè)發(fā)展的主要因素。因此，針對漁船油耗過高問題，實(shí)現(xiàn)對漁船油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測是十分必要的。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[5-8]的快速發(fā)展，將現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到漁船油耗監(jiān)測中，使?jié)O民有效掌握油耗的具體情況，對比同種船型油耗以及作業(yè)特點(diǎn)，共同商討漁船節(jié)能的潛在點(diǎn)，對漁船節(jié)能降耗具有重要的意義。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在漁船上的應(yīng)用也有利于漁業(yè)監(jiān)管部門對漁船是否在伏季休漁期間違規(guī)離港捕魚進(jìn)行有效管理。基于目前還沒有將漁船油耗監(jiān)測技術(shù)結(jié)合漁船監(jiān)管技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)基于STM32的漁船油耗數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)，利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)克服港口范圍寬廣、環(huán)境復(fù)雜、不易布線等問題，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測中心與漁船的通信功能，讓漁民充分掌握漁船每次離港捕魚時(shí)油耗的具體情況并且解決漁船管理不便的問題。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

鑒于漁船停靠的港口環(huán)境復(fù)雜，分布范圍寬廣，而且漁船停靠位置不固定，移動(dòng)性強(qiáng)，采用無線通信技術(shù)對靠港停泊的漁船進(jìn)行油耗數(shù)據(jù)采集傳輸是一種可行的技術(shù)方案。ZigBee、3G/4G、WiFi等無線通信技術(shù)可以用來實(shí)現(xiàn)漁船油耗數(shù)據(jù)的傳輸功能。但是綜合比較發(fā)現(xiàn)，3G/4G通信技術(shù)成本太高，不適用于傳輸漁船這種數(shù)據(jù)量大、采集持續(xù)時(shí)間長的能耗數(shù)據(jù)，而WiFi通信技術(shù)則是因?yàn)榇┩改芰Σ睢⒏采w范圍有限，不適合應(yīng)用在通訊距離較遠(yuǎn)、障礙物較多的漁船港口。ZigBee無線傳透模塊具有實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)、功耗低、簡單易用、輸出接口種類齊全等特點(diǎn)[6]，并且可以以覆蓋的方式實(shí)現(xiàn)全港口的通信，見圖1。

圖1　ZigBee組網(wǎng)模式

系統(tǒng)采用布置在岸上的ZigBee主協(xié)調(diào)器模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測中心的無線數(shù)據(jù)接收功能，采用布置在各艘漁船上的ZigBee路由器模塊實(shí)現(xiàn)油耗數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，充分利用ZigBee的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，以防港口中某些漁船因?yàn)橥？课恢门cZigBee主協(xié)調(diào)器相距甚遠(yuǎn)或因?yàn)楸徽趽醪荒苤苯舆M(jìn)行通信。油耗監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2中油耗監(jiān)測系統(tǒng)中心主要由1臺(tái)計(jì)算機(jī)與油耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)(gateway)[9-12]通過RS232接口相連實(shí)現(xiàn)通信；油耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)通過RS485總線實(shí)現(xiàn)與ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸；油耗數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要由帶有RS485通信功能的感應(yīng)式流量計(jì)、ZigBee路由器組成，其中感應(yīng)式流量計(jì)負(fù)責(zé)將燃油信息用報(bào)文格式經(jīng)由ZigBee路由器轉(zhuǎn)發(fā)到ZigBee主協(xié)調(diào)器，ZigBee主協(xié)調(diào)器通過RS485總線將報(bào)文格式傳送到油耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)的主控芯片STM32F207Z將接收到的每艘漁船的報(bào)文格式通過解析，轉(zhuǎn)換成油耗數(shù)據(jù)，通過RS232總線傳送到監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

以STM32F207Z為主控制芯片，該芯片具有外圍設(shè)備齊全，適應(yīng)于惡劣的工作環(huán)境，并且可以

在極低功耗的情況下提供較高的運(yùn)算能力[13]，特別適用于漁船油耗這種采集數(shù)據(jù)量大，采集頻率高，計(jì)算繁瑣的特點(diǎn)。

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括主控制芯片模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、RS232通信接口模塊、電源模塊、時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊6個(gè)部分。數(shù)據(jù)采集模塊首先通過RS485通信接口對底層數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和解析；解析完之后的數(shù)據(jù)輸出給主控制芯片模塊，經(jīng)過與時(shí)鐘模塊進(jìn)行時(shí)間校驗(yàn)后，主控制芯片將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)模塊并通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)；電源模塊負(fù)責(zé)為各個(gè)模塊提供電壓。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案見圖3。

圖3　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案

2.1數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)

油耗數(shù)據(jù)采集模塊的芯片采用MAX487E，該芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的一種差分平衡型收發(fā)器芯片，用于TTL協(xié)議與RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換的小功率收發(fā)器。下行通過RS485串口總線經(jīng)由ZigBee模塊橋接到感應(yīng)式流量計(jì)的RS485串口，通過感應(yīng)式流量計(jì)的通信協(xié)議，對感應(yīng)式流量計(jì)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和解析。數(shù)據(jù)采集模塊的電路圖見圖4。

2.2RS232串口模塊設(shè)計(jì)

RS232串口模塊采用MAX202芯片，電路圖見圖5。該芯片是MAXIM公司專門為計(jì)算機(jī)的RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片。該模塊接收數(shù)據(jù)信號(hào)后發(fā)送到上位機(jī)，同時(shí)可以通過RS232串口對控制器程序的燒寫；USB可以通過USB DM、USB DP與控制器對應(yīng)連接實(shí)現(xiàn)USB控制。

圖4　數(shù)據(jù)采集模塊電路

圖5　RS232模塊電路圖

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的試驗(yàn)

漁船油耗監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括油耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)測中心軟件設(shè)計(jì)。

3.1油耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

油耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)單片機(jī)程序以瑞典IAR Systems公司專門為微處理器開發(fā)的集成環(huán)境IAR Embedded Workbench for ARM7.10為開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)支持ARM，AVR，MSP430等芯片內(nèi)核[14]，軟件編程采用C語言，主要實(shí)現(xiàn)漁船供油回路、回油回路的油耗值采集功能，解析數(shù)據(jù)功能，設(shè)置采集周期及數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳送流程見圖6。

圖6　油耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)軟件的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳送流程

如圖6(a)所示，油耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先完成硬件系統(tǒng)初始化，讀取應(yīng)用參數(shù)配置，在讀取存儲(chǔ)在STM32F中的采集周期后進(jìn)入油耗數(shù)據(jù)采集工作模式；油耗數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束之后，網(wǎng)關(guān)會(huì)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送工作模式。首先，發(fā)送數(shù)據(jù)之前系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行時(shí)間校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，具體傳送過程見圖6(b)。

網(wǎng)關(guān)的采集周期可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行編程設(shè)定，默認(rèn)的采集周期是1 h采集1次。一次采集周期結(jié)束后，網(wǎng)關(guān)根據(jù)感應(yīng)式流量計(jì)的通信報(bào)文格式進(jìn)行解析，將計(jì)算出來的供油回路油耗值減回油回路油耗值獲得總油耗值。此時(shí)，如果通信沒有中斷，油耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器發(fā)送到監(jiān)測中心，然后網(wǎng)關(guān)進(jìn)入低功耗模式等待下一次工作狀態(tài)。但如果發(fā)生斷電或者通信中斷，網(wǎng)關(guān)則會(huì)將此次油耗數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，待下次與監(jiān)測中心通信成功時(shí)，一并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)傳送上去。

3.2監(jiān)測中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測中心計(jì)算機(jī)采用Win7操作系統(tǒng)，軟件利用Java編程語言開發(fā)，軟件功能見圖7。

圖7　監(jiān)測中心軟件功能圖

為了保證信息系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)為不同的用戶提供了不同訪問權(quán)限的賬號(hào)和密碼，普通用戶只能進(jìn)行漁船信息的查詢，而管理人員可以對漁船的信息進(jìn)行增、刪、改、查等操作。

針對每次新增的漁船ZigBee路由器模塊，須提前將漁船信息錄入到數(shù)據(jù)庫，然后對ZigBee路由器模塊的通信端口進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成之后，將ZigBee主協(xié)調(diào)器模塊斷電重啟后，再將ZigBee路由器模塊上電，這樣才能保證新增加的路由器模塊加入到無線局域網(wǎng)當(dāng)中。

3.3系統(tǒng)的試驗(yàn)

在福州某港口的4艘小型漁船上進(jìn)行相關(guān)功能的測試，通過近1個(gè)月的試驗(yàn)后，將每天現(xiàn)場觀察記錄對比得出以下幾個(gè)結(jié)論。

1)試驗(yàn)系統(tǒng)獲取的4艘漁船的油耗值與現(xiàn)場記錄的油耗值存在差異，但是誤差范圍小于3%，考慮到漁船的停泊環(huán)境惡劣、漁船受風(fēng)浪因素的影響導(dǎo)致?lián)u擺比較激烈，這樣的測量精度是可以接受的，滿足設(shè)計(jì)要求。

2)現(xiàn)場記錄的4艘漁船離港、靠港時(shí)間與試驗(yàn)系統(tǒng)顯示的時(shí)間基本一致。因?yàn)樵谂懦ㄓ嵐收系那闆r下，試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置為如果監(jiān)測中心與漁船上預(yù)定編號(hào)的ZigBee路由器聯(lián)系中斷，那么監(jiān)測中心即可做出該漁船出港作業(yè)的判斷；反之，監(jiān)測中心能在每一次采集周期獲取油耗值，那么判定該漁船靠港停泊。

3)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，港口分布范圍寬廣，有時(shí)也有雨天的干擾，但是該試驗(yàn)系統(tǒng)ZigBee無線模塊覆蓋范圍和通訊質(zhì)量并沒有受到影響，試驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

4)監(jiān)測中心界面呈現(xiàn)的4艘漁船的信息更新正確，沒有出現(xiàn)某艘漁船離港捕魚界面顯示在港停泊或者是在港停靠信息界面顯示出港捕魚的錯(cuò)誤信息，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性滿足實(shí)時(shí)性要求。

4　結(jié)論

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，較好地解決了漁船油耗監(jiān)測和漁船監(jiān)管的問題，基于STM32的漁船油耗監(jiān)測系統(tǒng)不但能實(shí)現(xiàn)漁船油耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集傳輸和漁船信息實(shí)時(shí)查詢，而且該監(jiān)測系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸信號(hào)穩(wěn)定，具有較大的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對漁船油耗進(jìn)行建模分析找出油耗漏洞是下一步主要的研究內(nèi)容。

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Design of Fuel Consumption Monitoring System for Fishing Vessels Based on STM32

YANG Zheng-ming, XU Yi-qun

(Fujian Key Laboratory of Ship and Ocean Engineering, Marine Engineering Institute,Jimei University, Xiamen Fujian 361000, China)

Considering the fuel consumption of fishing vessels is too high as well as the inconvenience for fishery supervision department of a large number of fishing vessels, the function of the Internet of wireless communication technology is used to designed the fishing vessels fuel consumption monitoring system based on STM32. The system consists of a monitoring center computer, a fuel consumption data acquisition gateway, a wireless transmission module and an inductive flow meter. Using ZigBee CC2530F256 chip as the core module, it can realize the function of all port network interconnection. By using the ZigBee coordinator and distribution on the fishing boat ZigBee router connected to the Internet, the system can realize acquisition and transmission of the fishing vessel fuel consumption data, and data analysis and storage by the STM32F207Z master control chip. Through the experiment of a certain port in Fuzhou, the real-time data acquisition and supervision department of the fishing vessel oil consumption is realized.

STM32; fuel consumption of fishing vessel; ZigBee; remote monitoring

2016-03-29

2016-04-05

楊鄭明(1991—)，男，碩士生

U674.4

A

1671-7953(2016)04-0122-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.028

研究方向:輪機(jī)自動(dòng)控制與仿真

E-mail:632781966@qq.com