WSN在船舶輪機自動化監測系統中的運用初探

劉信文

（大連市水路運輸管理處，遼寧 大連 116001）

WSN系統是一種物聯網技術，在該系統的建設和運行中，將會通過大量的傳感器獲取輪機的運行數據，同時傳感器將這些數據提交到系統的控制中樞中，由船舶工作人員對輪機的運行狀態進行觀察，防止發生重大安全事故。這種技術在應用中，將應用無線網絡進行數據傳輸，為了保證整個系統的運行質量，需要對無線網絡中的相關內容進行合理設計與確定。

1 WSN系統的硬件構成設施

WSN系統的硬件構成設施包括以下內容：（1）通信模塊。由于MSN系統在運行過程中是基于無線網絡進行信息傳遞的，所以通信設備為在船舶系統中相關位置上設置的射頻裝置。（2）信息處理模塊。當WSN系統發現輪機運行情況異常時，會向船舶上的工作人員發出警報，在該過程中需要經過信息處理模塊對傳感器收集到的數據進行分析，通常情況下，信息處理模塊的硬件設施為單片機，有單片機中的程序進行相關數據對比。（3）傳感器。在輪機發生故障時，整個系統中的相關參數都會發生一定變化，所以在WSN系統的建設中，需要設置多種類多數量的傳感器，以對整個輪機系統進行有效監測。（4）存儲模塊。在船舶中的輪機發生故障時，除了要第一時間對故障進行處理，WSN系統還需要能夠實現對故障信息的有效存儲，為后續的技術改進提供關鍵數據。對于存儲模塊，當前已經開發出了相應的硬件設施，實現對相關數據的快速精確存儲。

2 WSN在船舶輪機自動化監測系統中的應用方式

2.1 硬件設施安裝

在WSN系統的應用中，核心內容為進行各類硬件設施安裝，在具體的安裝過程中，需要注意以下問題：（1）傳感器系統。在傳感器的運行中，會將各類環境參數信號轉變為電信號，所以在傳感器系統的建設中，要對傳感器的布線方式、線路保護等內容進行科學設計，以保證所有的傳感器都能夠正常穩定運行。（2）射頻裝置安裝。在射頻裝置的安裝過程中，需要考慮信號發射的能量和船舶上相關障礙物對信號發射強度方面的影響，保證射頻裝置能夠有效進行信號發射。（3）防干擾設施。雖然單片機有一定的抗干擾能力，但是由于船舶輪機的運行環境較為特殊，在系統的建設中需要在單片機前設置PID系統，以消除系統中產生的各類干擾信號。（4）硬件保護設施。在硬件設施的安裝過程中，需要充分考慮這些硬件對運行環境的要求，并根據這種要求設置硬件保護設施，提高硬件的運行穩定性和使用壽命。例如，船舶輪機監測系統中采用的微處理器為LM3S1968，這種微處理器在實際應用的過程中，具有能量消耗低等優點，同時保證信息在連接接口中的信息傳遞質量。而船舶輪機監測系統中無線傳感器型號為ADXL001，這種型號的無線傳感器在實際應用中，能夠減小船舶輪機監測系統的體積，降低船舶輪機監測系統在運行過程中的能量消耗，與傳統無線傳感器的應用效果相比，整體應用價值更高，能夠大大提升船舶輪機監測系統實際運行的穩定性。

2.2 無線網絡建立

無線網絡建設時整個WSN系統的建設重點，在無線網絡的建立中，主要工作內容如下：（1）路由協議實施。在WSN系統的運行過程中，會同時收集大量數據，這種情況對整個系統帶來了很大的運行負擔，所以需要選擇能夠降低系統運行負擔的協議，最終可應用的協議為LEACH。該協議能夠將多個節點組成一個簇，在這些節點中選出一個簇頭，在完成數據融合后，由簇頭將信號提交到基站。在該過程中需要計算簇頭的閾值，但是這種方法在應用過程中簇頭會隨機產生，導致系統的運行穩定性無法被有效保障，所以需要對當前的算法進行調整。（2）安全保護程序設計。在WSN系統的應用中，會將系統中的傳感器作用一個節點，以探究輪機發生故障的位置，同時也能夠在一定程度上確定故障類型。在整個系統的運行過程中，通常會讓這些節點生成ID，為了保證系統能夠安全穩定運行，這些ID不能發生重復。在本文的研究過程中，最終采用的方法為各節點隨機生成一個1～N3的整數作為ID，其中N為相關區域中的節點個數，經計算，應用這種方法時基本不會產生ID重復現象，能夠有效保證WSN系統的穩定運行。（3）網絡的形成，WSN系統在實際運行的過程中，如果其中的中心節點被選取，則WSN系統中的中心節點就會將自身具備的信息數據傳播給其他節點，實現數據信息的傳播。在此過程中，船舶輪機的監測系統，會對輪機震動信號展開監測，確定震動信號是否符合相應的工作標準。該監測系統在實際運行的過程中，無線路由器的各個節點，會隨機抽取一個數值與標準值展開對比，如果數值比標準值小，則需要將這個節點作為中心節點，并將該節點中的數據信息傳輸給其他節點。

2.3 系統狀態檢測

在完成對WSN系統的建設后，需要對系統的運行狀態進行驗收，在該過程中，可以應用MATLAB軟件完成相關操作。在MATLAB軟件中，需要按照建成的WSN系統進行模型建設，同時在系統中對應的傳感器處施加能夠有效模擬輪機故障的激勵，觀察建成的WSN系統是否能夠及時顯示向傳感器施加的震動激勵。在系統狀態檢測的過程中，假設WSN系統網絡規模為100M×100M，WSN系統中無線路由器的節點數量為80，數據接收基站坐標為（50,100），傳船舶輪機監測系統中數據包的大小為4000bit，數據傳輸速度為85kbit/s。以上為WSN系統狀態檢測實驗的條件，通常情況下，在狀態檢測過程中采用LEACH協議算法展開計算，在系統檢測的過程中發現，船舶監測系統在運行315輪之后，出現了死亡節點，使用改進過后的LEACHE協議算法對其展開監測表明，船舶監測系統在運行410輪之后出現了死亡節點。通過以上數據信息分析能夠發現，改進后的計算協議與改進之前相比，實際應用價值更高，其優勢也能夠充分發揮出來。

在無線傳感器網絡的基礎上，為了對船舶輪機監測系統信號采集功能展開檢測，需要在參與檢測的船舶輪機中安裝網絡節點，其中系統的采樣頻率為1kHz，在此過程中需要對船舶輪機監測系統中的時間以及電壓幅值展開檢測，確定二者之間的關系，并將其以線形圖的方式呈現出來，檢測人員在分析檢測結果的過程中，能夠在短時間之內對其展開全面有效的分析，最終得出船舶輪機監測系統信號采集功能的檢測結果。

最終的檢驗結果表明，本文最終設計的WSN系統能夠在規定時間內完成對故障信號的顯示，在多次模擬后，發現該系統能夠有效現實輪機的故障部位，并未出現信號干擾問題。

本文重點研究了在WSN基礎上，船舶輪機監測系統的運行情況，并對船舶輪機監測系統的結構，以及LWEACH協議算法展開優化，最終形成了一種新的協議算法。同時采用軟件路由仿真的方式，對實驗現場的數據展開收集，在此基礎上對船舶輪機監測系統中的振動信號展開有效檢測，最終達到提升船舶輪機監測系統運行穩定性以及有效性的目的。

3 結語

綜上所述，在WSN系統的設計中，硬件內容包括各類傳感器、通信模塊、信息處理模塊、存儲模塊等，在系統的實際建設中，還包括相關輔助設施的建設，保證這些硬件設備能夠長期穩定運行。在WSN系統的具體應用中，首先需要對這些硬件設施進行正確合理安裝，其次為建設無線網絡，在該過程中需要對LEACH協議進行優化，最后為驗收過程，觀察系統能否安全穩定運行。