基于WSN的電力推進船舶電氣設備過熱監(jiān)測系統研制

馬 川，毛宏雨，劉彥呈

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基于WSN的電力推進船舶電氣設備過熱監(jiān)測系統研制

馬 川1,2，毛宏雨2，劉彥呈1

（1. 大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連 116026；2. 青島遠洋船員職業(yè)學院機電系，山東青島 266071）

針對目前電力推進船舶普遍采用有線進行電氣設備過熱監(jiān)測的局限性，結合無線傳感器網絡（WSN）技術，研制了一種基于WSN的電力推進船舶電氣設備過熱監(jiān)測系統。設計并制作了中心節(jié)點和傳感器節(jié)點的硬件，編寫了過熱監(jiān)測的軟件并創(chuàng)新性的采用軟件動態(tài)休眠節(jié)能和發(fā)射功率控制的方案，有效的延長了系統的使用壽命。結果表明該系統實現了電氣設備過熱的精確測量，實驗室數據測試證明其和有線測量可以達到同樣的精度。

無線傳感器網絡 電力推進船舶 電氣設備 過熱監(jiān)測

0 引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，以下簡稱WSN）是由大量具有通信能力和計算能力的微小傳感器節(jié)點布設在監(jiān)控區(qū)域而構成的，能夠根據環(huán)境自主完成指定任務的“智能”測控網絡系統，具有低成本、低功耗、體積小、網絡結構靈活、數據傳輸可靠等特點。目前，廣泛應用于軍事、工業(yè)、醫(yī)療、農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、智慧城市等領域[1,2]。電力推進船舶具有良好的操縱性和經濟性、極少的振動和噪音、靈活的機艙空間布置等優(yōu)點[3]，成為現代造船的發(fā)展方向。電力推進船舶有很多重要的電氣設備，對這些電氣設備過熱溫度的實時監(jiān)測有助于管理人員提前預測故障，及時采取措施，避免故障擴大化。

目前，對電力推進船舶電氣設備溫度的監(jiān)測一般采用傳統的有線測溫和紅外測溫的方法。有線測溫的方法需要布設大量的電纜，而且不易實現高低壓隔離，而紅外測溫的方法，雖然可以實現高低壓隔離，但是需要工作人員定期巡回測溫，不能保證實時測量且測量精度不高受環(huán)境影響大。

針對上述問題，本文將WSN技術引入到船舶應用中，研制出一種基于WSN的電力推進船舶電氣設備溫度監(jiān)測系統，該系統既能實現實時精確測溫，又能保證高低壓隔離，克服了傳統方式的局限性且成本較低，是目前中高壓電氣設備監(jiān)測的發(fā)展趨勢。

1 系統總體架構

基于WSN的電力推進船舶電氣設備監(jiān)測系統是由傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、中心節(jié)點、MODBUS通信單元、和上位機應用軟件組成（如圖1所示）。

傳感器節(jié)點主要由數字溫度傳感器、CPU、電源模塊構成，在不方便布線的場合，傳感器節(jié)點采用鋰電池供電。其主要功能是對監(jiān)測點的溫度進行采集，并根據溫度變化情況自動進入休眠狀態(tài)以實現節(jié)能；路由節(jié)點的主要功能是對傳感器節(jié)點傳送來的數據進行路由，若該路由節(jié)點的路由表中的下一跳地址是中心節(jié)點，則就將數據傳遞到了終點。若路由節(jié)點的下一跳路由地址仍然是路由節(jié)點，則該路由器就將數據傳遞給下一路由器繼續(xù)對數據進行路由；中心節(jié)點主要負責將數據暫時保存，等待上位機讀取。另外，中心節(jié)點還負責對WSN進行維護，接收上位機的命令信息并更改網絡的參數；上位機應用軟件是由NI公司的Labview測控軟件開發(fā)的，其主要功能是將中心節(jié)點送來的數據進行顯示、分析和存儲，以備將來分析故障之用。

2 硬件設計與實現

本系統的硬件設計不同于傳統的監(jiān)測系統，由于部分WSN傳感器節(jié)點工作在鋰電池供電的狀態(tài)下[4]，這就要求在硬件設計時要考慮到節(jié)能。同時，在電力推進船舶上，電氣設備較多并且是6.6 kV的中壓設備，故在硬件設計時還要考慮到高壓隔離和防止電磁干擾。

圖2 中心節(jié)點硬件結構圖

中心節(jié)點和傳感器節(jié)點的微處理器均選用TI公司的CC2530。該種芯片無論在性能上還是成本上都比同種類型的芯片要優(yōu)越。同時，TI公司還為CC2530芯片量身定做了完全免費的協議棧，使得程序的設計更加方便。該芯片內部集成有符合IEEE 802.15.4標準的2.4 GHz的無線收發(fā)器，RF射頻單元的接收靈敏度非常高、抗干擾性能強，休眠模式下僅需要0.9mA的電流，節(jié)能性能非常好，特別適合于電池供電的設備。

傳感器節(jié)點采用鋰電池供電，故在設計電路時要能保證節(jié)點在休眠時能夠關斷傳感器電源以實現節(jié)能。電路只在傳感器工作期間投入工作（通過CPU控制TPC8102芯片），其余時間處于斷電狀態(tài)。傳感器節(jié)點采用的是數字溫度傳感器DS18B20，該傳感器直接將溫度轉化為數字信號送至CPU。

另外，傳感器節(jié)點處于高壓電場和各種干擾之中，故本系統在設計時，充分考慮了電場屏蔽，對傳感器節(jié)點加裝了屏蔽罩并且屏蔽層可靠接地。所有芯片輸入引腳都通過電阻上拉，盡可能少的防止芯片受到外界電場干擾。在設計PCB時，將地線加粗并電路板大面積覆銅，以減少地線引起的干擾。節(jié)點在設計時，還加入了“看門狗”功能。

3 軟件的設計與實現

系統的軟件和硬件是相輔相成的，二者相互配合才能實現系統的各項功能。系統軟件的總體結構分為三層：傳感器節(jié)點的軟件（溫度采集、發(fā)射功率控制、命令處理），中心節(jié)點的軟件（MODBUS通信軟件、命令處理軟件）和上位機應用軟件。

3.1 中心節(jié)點和傳感器節(jié)點的軟件設計

中心節(jié)點上電后，首先組建一個新的WSN網絡, 在網絡組建完成后，執(zhí)行應用層程序，進行用戶程序的初始化。初始化后，程序將不斷的檢測是否有數據進入。當中心節(jié)點收到通信模塊送來的數據或者傳感器節(jié)點送來的無線數據時，將進入接收程序。若數據來自上位機，則進入命令處理子程序對數據進行分析和處理。若來自傳感器節(jié)點，則進入溫度處理子程序。

傳感器節(jié)點上電后，首先搜索區(qū)域內的無線傳感器網絡，若搜索到網絡并成功加入后，就開始執(zhí)行應用程序并開始采集溫度。采集M次后，取平均值發(fā)送給中心節(jié)點。同時，計算出溫度變化率。根據變化率的大小，計算自己的休眠時間并令傳感器節(jié)點進入休眠狀態(tài)，以實現最大限度的節(jié)能。休眠時間到后，接著進行M次溫度采集。

3.2 上位機應用軟件設計

上位機應用軟件是利用NI 公司的Labview測控軟件開發(fā)的，該軟件開發(fā)的界面具有簡潔、美觀的特點并且能夠直觀的將各個監(jiān)測點的信息顯示在管理人員面前。本文在設計上位機界面時，盡可能的將界面顯示情況和實際的電氣設備對應起來，以便于管理人員能夠在短時間內定位電氣設備監(jiān)測點的溫度如圖所示。該應用軟件具有以下功能：1）監(jiān)測點參數的顯示及報警功能；2）參數的定時打印和召喚打印功能；3）參數報警的閉鎖及通信參數設定功能；4）參數越限故障預測功能。

4 傳感器節(jié)點的節(jié)能控制

系統中部分傳感器節(jié)點采用的是電池供電，對該類型節(jié)點進行節(jié)能控制是必要的。射頻發(fā)射機的發(fā)射能量與傳輸距離的次方成正比，較為理想的節(jié)能方案是隨著傳輸距離的改變而改變發(fā)射機的發(fā)射功率，從而達到節(jié)能目的。當節(jié)點間的距離一定時（如圖3所示），節(jié)點A和節(jié)點B之間距離為。當A和B通信時，以10 mW的發(fā)射功率發(fā)射數據，節(jié)點B就可以安全可靠的收到數據。如果節(jié)點A以20 mW的功率發(fā)射數據，節(jié)點D也以20 mW的功率發(fā)射數據，節(jié)點B能夠收到節(jié)點A的數據，節(jié)點C也能夠收到節(jié)點D的數據。但是，節(jié)點A發(fā)射的覆蓋范圍和節(jié)點D發(fā)射的覆蓋范圍有重疊，這樣就會造成信道間的沖突，在節(jié)點眾多的情況下可能會丟失數據[5,6]。更重要的是，發(fā)射功率增加后，造成了不必要的能量浪費。

根據無線電波在自由空間中的傳輸公式，即Frris傳輸公式[7]：

其中，GG為發(fā)送和接收天線的增益，為載波波長，為發(fā)送和接收間的距離，為損耗因子，P是發(fā)射功率，P是接收功率。當GG均確定的情況下，只要知道P就可以根據公式求出P。公式（1）經過變形就可以得到：

其中，P是最佳發(fā)射功率，P是接收機的接收門限功率。綜合公式（1）和公式（2）可以得到：

根據（3）可以得知：只要知道接收機的門限功率P、發(fā)射功率P和接收功率P就可以求出最佳發(fā)射功率P的值。系統采用的芯片是CC2530，通過芯片資料可以得到其接收機的門限功率P的值為-91 dbm。另外，通過該芯片的寄存器RSSIL中的RSSI_VAL位可以得到其接收的功率值P，這樣，只要知道發(fā)射機的發(fā)射功率值P然后再根據公式（3）就可以計算出最佳發(fā)射功率P的值[8]。本系統所設計的獲取傳感器節(jié)點最佳發(fā)射功率的方案流程圖（如圖4、5所示）。

圖3 節(jié)點間發(fā)射功率范圍示意圖

圖4 建立最佳發(fā)射功率傳感器節(jié)點流程

5 系統性能的驗證

為了驗證本文所研制的基于WSN的電力推進船舶電氣設備監(jiān)測系統的性能，在實驗室條件下對無線傳感器網絡節(jié)點和有線溫度采集的性能進行對比。具體的實施方案如下：

1）將本文所研制的帶有動態(tài)休眠的傳感器節(jié)點和有線測溫節(jié)點同時并且在同一位置放到實驗室的容器中。

2）實驗室的容器采用電加溫的方式，逐漸將溫度從室溫加熱到100℃。

3）有線溫度測量采用200 ms的間隔采樣，本文設計的傳感器節(jié)點采用動態(tài)休眠的方式進行采集（按照本文所設計的方案，根據溫度變化率動態(tài)調整采集間隔）。

4）將兩者的結果放在同一圖表中，觀察本文所設計的帶動態(tài)休眠的傳感器節(jié)點采集結果和有線采集結果的差別。

5）結果發(fā)現：本文所設計的基于WSN的電力推進船舶電氣設備監(jiān)測系統和有線測溫的監(jiān)測系統具有同樣高的測量精度。

實驗室實物測量結果證明：基于WSN的電力推進船舶電氣設備監(jiān)測系統克服了傳統有線測溫的缺點，實現了高低壓隔離并且和有線測溫具有同樣的測量精度。

圖7 溫度采集性能

6 結束語

本文針對電力推進船舶的實際問題，以電力推進船舶中各主要電氣設備的過熱監(jiān)測為研究對象，提出了一種基于WSN的無線電氣設備過熱監(jiān)測系統，該系統的顯著特點是在不便于布線的場合可以實現溫度的測量及實現溫度數據的無線低功耗傳輸。當監(jiān)測點的溫度數據異常時，會發(fā)出報警提醒管理人員處理，提高了電力推進船舶電氣設備的運行可靠性。但是，電推船舶電氣設備監(jiān)控涉及的內容廣泛而復雜，本文所研制的電氣設備的過熱監(jiān)測只是其中的一個方面，要真正的將基于WSN的無線數據監(jiān)測應用于電力推進船舶電氣設備及其他重要的機械設備中，還需設計并研制更多的傳感器節(jié)點。本系統的研制，為電力推進船舶實現“智能機艙”提供了理論基礎。

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Design of Electrical Equipment Overheat Monitoring System on Electric Propulsion Ship Based on WSN

Ma Chuan1,2, Mao Hongyu2, Liu Yancheng1

(1. Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China; 2. Qingdao Shipping Mariner’s College, Qingdao 266071, Liaoning, China)

U665.2

A

1003-4862（2018）08-0013-04

2018-04-23

馬川 (1984-)，男，在讀博士、講師。研究方向：船舶自動與智能化、無線傳感器網絡方面的研究。E-mail: machuan1984@126.com