基于應力傳感器的船閘系船鉤拉力檢測系統

郭強

摘 要：為了確保船舶停靠安全，目前船閘工作人員對于助航設施系船鉤的檢查采用人工定期巡檢方式，查看其狀況。本文結合船閘實際情況，設計基于應力傳感器的系船鉤拉力檢測系統，對拉力數據進行預處理，利用設置閾值的方法篩選異常數據，實現對系船鉤異常松動報警，實時掌握系船鉤狀態，提升船閘安全管理水平和智能化程度。

關鍵詞：系船鉤 拉力檢測 閾值報警

近年來，隨著水運事業的發展，船舶運量及船型均呈逐漸加大的趨勢，船舶實際通過量逐年增加，致使船閘運行負荷逐年加大，從而導致直接參與船閘運營的設備、零件的損壞率逐年上升。系船鉤是船閘中必不可少的附屬設施，在閘室或引航道中，通過纜繩系運動船舶產生的作用力傳到系船鉤上，系船鉤提供反作用力制止船舶運動，避免其撞擊閘門、閘墻。當系纜動作不規范，船舶無法在閘室或引航道中穩固，可能撞擊閘墻或閘門，對通航建筑物造成危害的同時還可能對系船鉤造成損壞。可能導致系船鉤的錨固螺栓或螺母失效，從而使整個鉤體部分松動或被拉脫。綜上所述，系船鉤的拉力檢測對閘室和船閘安全保障尤為關鍵，一種能實時采集系船鉤拉力參數并自動報警的系統具有極其重要的意義。

1.系船鉤巡檢現狀

船閘對于系船鉤采用人工定期巡檢方式，對系船鉤的監測，會存在以下問題：

（1）缺乏實時監管能力，無法24小時掌握其運行狀態，一旦發生損壞不能及時響應；（2）人工巡檢大多依靠經驗，無法客觀科學地記錄設施情況；（3）人工巡檢需要調用船舶進行，費時費力。

2.基于應力傳感器的系船鉤拉力檢測系統研發

通過安裝傳感器對系船鉤所受的拉力進行實時監測，獲取拉力數據。對拉力數據進行解析并通過應力檢測接口傳輸到數據采集卡，將數據發送到軟件系統，若檢測到數據超過設置的報警閾值，啟動報警。軟件系統會將傳感器數據記錄保存，生成統計報表。實現對設施的預防性養護，延長設施生命周期，對設施狀況進行智能評價。

2.1系統功能

（1）實時數據監控。系統接收遠程數據采集點的系船鉤拉力數據，將監測數據發送到中心，從而實現對系船鉤狀態的實時監測。

（2）實時數據顯示。主站服務器接收系船鉤在線監測采集裝置發送的實時數據，以表格、圖形等形式顯示監測點的數據，能夠根據實際情況設置報警閾值。

（3）監測數據分析。進行監測數據分析，歷史監測數據分析。輔助工作人員進行日常運維檢修等工作。

（4）報表打印。支持數據統計報表打印輸出。

（5）監控WEB。采用B/S模式，在通用web瀏覽器頁面上顯示實時監測數據、歷史統計數據，同時可在內部網上發布系船鉤狀態的最新數據、歷史數據。

（6）系統管理。各類系統參數設定、權限管理，外部數據接口管理。

2.2系統架構

（1）系統選擇STM32F103作為系船鉤監測模塊的主控制器。通過STM32可實現對應力傳感器的信號采集和數據處理以及配置WiFi模塊，定時上傳應力傳感器的采集數據。

（2）通過應力檢測接口將拉力數據傳輸到數據采集卡，通信接口為SPI接口，SPI是一種高速，全雙工，同步的通信總線。

（3）將數據發送到軟件系統，經過篩選處理得到報警閾值，無線傳輸模塊采用ESP8266芯片，通過STM32的UART接口對ESP8266進行配置連接上路由器，并且主動與服務器建立連接。STM32將數據進行封裝后由ESP8266模塊發送給服務器，重復動作直到通信結束。

（4）檢測到數據超過設置的報警閾值，啟動報警裝置進行報警。

（5）軟件系統會將傳感器數據記錄保存，生成統計報表。

（6）整個系統采用太陽能板結合鋰電池進行供電，我們選用5V/140mA的鋰電池作為電源，滿足各模塊的功率需求，只需通過降壓模塊轉成3.3V恒定輸出，便可保證系統穩定工作。

2.3系統硬件

（1）數據采集模塊。根據系船鉤監測模塊的需求決定采用STM32單片機，STM32最高穩定工作主頻72M，內置硬件乘法器，可以進行浮點型運算的處理。不僅可以作為控制器，更可以作為處理器進行使用，本項目中我們選擇STM32F103作為系船鉤監測模塊的主控制器。該單片機有大量的系統資源和外部電路接口，有32位的中央處理單元，有Cortex？-M3嵌入式處理器，哈佛結構，并且具有數據總線和指令總線獨立的特點，能提高CPU的執行速度和數據的吞吐率。同時，它具有多功能的時鐘發生器，可擴展的存儲空間，內嵌2個12位數字/模擬轉換器，可連接16個外部通道。多種定時器功能，眾多的中斷資源，DMA功能，UA R T功能，且含有外部中斷等多重功用的MCU。

通過STM32可實現對應力傳感器的信號采集和數據處理。以及配置W i F i模塊，定時上傳應力傳感器的采集數據。當采集的數據超過設置的閾值時，發出警報。

（2）無線傳輸模塊。無線傳輸模塊采用ESP8266芯片，這款芯片使用了3.3V的直流電源，體積小，功耗低，支持透傳，丟包現象不嚴重。芯片內置無線網絡協議、IEEE802.11協議棧以及TCP/IP協議棧，具有兩種工作模式，分別為正常啟動模式和配置啟動模式。

（3）應力檢測接口模塊。應力傳感器的通信接口為SPI接口，需要在監控模塊上設計一個SPI通信接口。SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，SPI接口一般使用4條線通信：MISO 主設備數據輸入，從設備數據輸出；MOSI 主設備數據輸出，從設備數據輸入；SCLK 時鐘信號，由主設備產生；CS 從設備片選信號，由主設備控制。

（4）電源模塊。在系船鉤監測模塊的電路設計中，電源模塊有著極其重要的地位。只有電源穩定，系船鉤監測的各個模塊才能工作正常。在經過前期的測試，發現傳感器、無線、主控制器所需電壓為3.3V。綜上要求，系統選用5V 140mA的太陽能電池作為電源。因為其體積小重量輕，只有10克，但是可以滿足各模塊的功率需求。只需通過降壓模塊轉成3.3V恒定輸出，便可保證系統穩定工作。

3.結束語

基于應力傳感器的系船鉤拉力檢測系統通過應力傳感器，實現系船鉤的實時監測，并對異常狀態進行報警，實現全天候無人化在線監測。大大降低了人工成本，減少人工巡檢產生的船舶調用費用。在社會效益上，本系統的應用，利用信息化手段規范了船閘養護工作，提高了養護管理水平；通過智能檢測技術優化了養護工作流程，提供了閉環管理手段，有效的保障設施安全運行，減少安全生產事故的發生。

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