基于STC15單片機的船舶動力裝置參數傳輸方法的研究

江蘇航運職業技術學院 季 禹 蔡士奇 程真啟

隨著“互聯網+”計劃和“中國制造2025”戰略的深入實施，我國航運業迎來發展新契機。“互聯網+船舶”促使信息技術在船舶領域中廣泛應用提上日程。現有船舶船岸通信傳遞系統受制于到傳輸技術、成本費用等方面影響，船舶動力裝置參數傳輸方法有待提高。此背景下，本文基于傳統機艙動力設備參數采集與處理方法進行理論探究，建設基于STC15系列單片機的智能傳感器和基于光纖網的機艙信息平臺，以解決船舶機艙海量數據傳輸的可靠性與流暢性問題。

隨著互聯網技術的蓬勃發展，人工智能、大數據等新興計算機技術被廣泛應用于各個領域。2017年6月，IMO第98次海安會討論了航運科技大國提出的海上自主航行船舶，同意成立工作組研究相關的法律、安全、環保對策。至此，“智能船舶”這一概念被正式提出。“智能船舶”是指將先進的自動化、信息化、大數據分析技術運用于船舶信息的獲取、處理及決策過程。從目前的研究結果來看，船舶大數據多體現在遇險報警、緊急通信、航行警告、氣象警告等船舶航行安全信息領域的應用。而在船舶通信領域中，無論是內河還是遠洋船舶的船岸通信，與船舶機艙動力裝置參數傳輸方面的研究甚少。就目前的船舶通信而言，機艙動力裝置參數的通信傳輸已成為智能船舶與無人船舶的技術瓶頸之一。對此，本文致力于對機艙動力裝置海量參數傳輸提出一種新型的采集和運行方案，從而使岸端控制中心實時掌握船舶重要動力設備運行狀態、實現船岸一體的智能管理。

1 船舶動力裝置參數傳輸方案設計

1.1 整體設計

本次設計主要研究微控制器、數據采集、數據傳輸三大部分。信息采集模塊將采集到的數據經過第一階段的簡易處理之后，傳輸給微控制器STC15。而后，微控制器STC15運行其內部嵌入的控制算法，利用光收發器將數字信號以光的形式傳輸到后臺控制系統（見圖1）。具體而言，為適應船舶動力裝置系統中數據量大特點，本次研究將船舶機艙專用的將傳感元件與單片機相結合，利用信息處理技術，形成一個可以實時傳遞參數的新型智能傳感器。該傳感器被賦予一個IP地址，提供DC24V傳感器隔離電源為傳感器工作提供持續的動能。并且，智能傳感器內部置有控制程序，該程序固化于單片機芯片中，以光形式輸出數字信號，大大提高了傳感數據傳輸效率。

圖1 智能傳感器原理圖

1.2 基于單模光纖的機艙網絡信息平臺

分布數據庫同步機制是光纖網絡信息平臺的運行核心機理。這一機制是針對數據同步領域的一項新技術。該技術淘汰了傳統數據庫速度慢、網絡不安全、協議繁瑣、費用高的傳統“通信模式”。此舉促使光纖網絡信息平臺的每個節點與網絡連接處均串入專用芯片，節點設備通過專用芯片與其他設備進行網絡聯通。芯片內部包括有分布數據庫及同步軟件包，該軟件包支持所有芯片數據庫通過網絡高速同步。這一運行模式下，分布數據庫作為平臺總數據庫而存在。而傳輸節點在工作時流量為零，有效壓縮了平臺流量。在此基礎上，利用WEB技術開發機艙網絡信息平臺作為機艙信息控制中心，基于計算結果進行決策。該技術系統圖簡述如圖2所示。

圖2 分布數據庫同步原理圖

2 船舶動力裝置參數傳輸技術分析

2.1 全新船舶動力裝置智能傳感器

本研究所采取船舶動力裝置智能傳感器是基于最新的STC15系列微處理芯片而研發。15系列單片機在12的基礎上添加了更加強大的功能。就運行速度而言，15系列比11系列和12系列的運行速度提升了20%。且15系列單片機內置的RC振蕩器具有更高的精度（0.3%）與更小的溫飄。除此之外，15系列單片機可設定多頻傳輸。它擁有四個獨立串口與SPI接口，其內擴靜態隨機存取存儲器大小達4K，并擁有5路定時器、6路CCP/PCA/PWM比較捕獲單，為船舶動力裝置數據捕獲與傳輸提供強大的硬件支撐，單片機芯片構造如圖3所示。其中，芯片傳感器供電電源為12V，經過LM1117_5穩壓芯片產生5v的交流電源傳輸給單片機。之后，單片機通過串口U1和光收發器，進行數據傳輸通信。具體而言，首先利用AT指令配置單片機參數，設置傳輸波特為9600bps。其中包含8位數據位和1位停止位。本次實驗暫不設置校驗位，工作模式設置為“STATION”。其次，將數據傳輸模塊與船舶通信基站聯通。最后，將建立的TCP/IP連接保存至“PARAMETER”區域，以保證數據成功建立傳輸連接并進行數據穿透。

圖3 STC15系列微處理芯片

2.2 分布數據庫的網絡信息平臺

從數據傳輸層面來看，本次研究采用了“觸發式”更新數據庫機理，從而保證巨量傳輸效率與可靠性。“觸發式”更新數據庫徹底改變了先前的機械式定時更新數據庫的方式。在沒有數據刺激時間段，“觸發式”數據庫處于“休眠狀態”。當有數據刺激時，“觸發式”數據庫開始工作。這一數據庫運作機理從根本上減少了CPU的開銷，縮減網絡數據的傳輸量，為大數據傳輸與存儲創新了一條新路徑。從數據處理層面來看，本研究采用WEB服務器實現與單片機的實時互通。一方面，此舉簡化了單片機數據傳輸流程，緩釋單片機傳輸壓力。另一方面，利用WEB服務器自由的處理條件，研究人員可以自由設計高性能數據處理算法，提升網絡信息平臺數據處理能力，為船舶動力裝置參數傳輸與處理提供可靠條件。

結語：本文通過對現有船舶機艙大數據采集和處理的研究成果進行梳理，針對傳統動力參數控制系統所存缺陷，構建了基于STC15單片機的船舶動力裝置參數傳輸方案。驗證結果表明，基于STC15單片機的船舶動力裝置參數傳輸方案，具有良好的信息傳輸能力，完美解決了傳統動力裝置參數傳輸存在的問題與不足，為未來船舶動力裝置參數傳輸方法研究提供了新的思路與方向。