船艙溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

引 言

隨著我國國力的不斷提升，人們愈加重視各種交通、運輸工具等的安全性，對交通工具中裝備的可靠性、穩(wěn)定性要求更加嚴格 [1]。船舶作為海上有效的運輸工具，其安全性、舒適性得到人們的廣泛關注。為保證乘客和有溫度要求貨物的環(huán)境溫度，需要隨時了解和監(jiān)控船艙內(nèi)溫度變化情況。艦船內(nèi)溫度監(jiān)控系統(tǒng)也從簡單到復雜、從人工監(jiān)控記錄向自動化發(fā)展，其智能化程度與準確度越來越高[2-6]。但因為風浪、天氣等客觀原因，一般情況下艦船工作環(huán)境惡劣。為提高艦船內(nèi)信號采集的高可靠性和連續(xù)不間斷的工作要求，許多測控裝備常常需要采取措施，并進行數(shù)字化傳輸[7]。在此所設計的溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用冗余設計，傳感器負責收集各種信息，之后進行表決，使數(shù)據(jù)采集在相對惡劣甚至傳感器部分失效的情況下，數(shù)據(jù)采集仍然可靠有效，實現(xiàn)對船艙內(nèi)溫度的實時性和高可靠性監(jiān)控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

船艙溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點單元和主控機單元組成。主控機可以采用通用的PC 或服務器以提供更豐富的控制功能并提升可靠性。主控機采用通信接口與連接在總線上的各監(jiān)測節(jié)點通信，負責對整個系統(tǒng)中分布于各艙的檢測節(jié)點進行監(jiān)控，發(fā)送控制命令和參數(shù)配置信息，并接收來自各節(jié)點的狀態(tài)信息和測量數(shù)據(jù)，監(jiān)視船艙環(huán)境參數(shù)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點控制單元主要由傳感器、表決器、單元主控制模塊和通信單元組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點控制單元通過參數(shù)傳感器實時采集船艙中的主要溫度信息，經(jīng)表決器獲得可靠數(shù)據(jù)，再交由單元主控器處理信號，由通信單元生成協(xié)議報文，并經(jīng)由總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控機，同時接收主控機的控制命令和參數(shù)配置信息，并及時給予反饋。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)采集控制單元通過總線與主控機相連，對監(jiān)控對象實現(xiàn)信息采集。工業(yè)傳感器有較強的抗干擾能力和可靠性[4]，但由于機艙環(huán)境極為惡劣，作業(yè)期間維修困難，一旦出現(xiàn)故障很難及時修復，所以對監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性要求很高，故采取冗余設計。數(shù)據(jù)采集單元將相同功能的傳感器設計為 3 個，每次對采集到的數(shù)據(jù)進行表決，一個設備有問題不會影響整體采集結(jié)果。由此可見，冗余保證了系統(tǒng)工作的連續(xù)性、穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器模塊

數(shù)據(jù)采集節(jié)點選擇 DS18B20 作為溫度傳感器，具有可實現(xiàn)高精度控溫、轉(zhuǎn)換速度快、具有極強的抗干擾糾錯能力等特點，該傳感器首先采集周圍環(huán)境的溫度信息，然后把它們存儲在自己的內(nèi)存中。由單元主控器進行數(shù)據(jù)采集、處理和采集點顯示等。DS18B20 將溫度采集后轉(zhuǎn)換成輸出的 16 位二進制數(shù)，存儲在DS18B20 的兩個 8 位的RAM 中。二進制數(shù)的前5 位是符號位，如果溫控量的溫度不小于 0，那么這 5 位為 0，然后將得到的二進制數(shù)值乘以 0.062 5 就可得到溫控量的實際溫度；反之，若溫度小于 0，那么這 5 位為 1，然后將得到的數(shù)值取反加 1 再乘以 0.062 5 就可得到溫控量的實際溫度。選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，省去了采樣 / 保持電路、運放、數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換電路以及進行長距離傳輸時的串/ 并轉(zhuǎn)換電路，從而簡化了電路，縮短了系統(tǒng)的工作時間，降低了系統(tǒng)的硬件成本。數(shù)據(jù)采集節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

2.2 溫度采集模塊的可靠性計算

溫度采集的可靠性是溫度監(jiān)測控制系統(tǒng)的工作基礎 [7]。單個數(shù)據(jù)采集的傳感器模塊在某一時刻之前正常工作的故障率 λ（t）和可靠度 R（t）計算如下：

3 軟件設計

系統(tǒng)程序主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序等。

3.1 主程序流程圖

主程序?qū)φ麄€系統(tǒng)進行控制。啟動后，首先對系統(tǒng)初始化， 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設置各采集單元，之后開始不間斷掃描各節(jié)點數(shù)據(jù)信息，將采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，并進行狀態(tài)判斷，如遇不正常情況，則采取相應溫度控制措施，如加溫和降溫等。之后對歷史數(shù)據(jù)進行分析，預判溫度變化趨勢，為決策提供依據(jù)。其程序流程如圖 3 所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

在數(shù)據(jù)采集節(jié)點主程序中，由嵌入式系統(tǒng)控制整個電路， DS18B20 進行溫度采集，并且通過嵌入式系統(tǒng)在液晶顯示器上顯示溫度。當溫度達到指定溫度時將數(shù)據(jù)傳入嵌入式系統(tǒng)內(nèi)進行處理。DS18B20 的讀時序開始在總線上傳送1 或 0。若DS18B20 發(fā)送1，則保持總線為高電平；若發(fā)送 0，則拉低總線。DS18B20 發(fā)出的數(shù)據(jù)在讀時序下降沿起始后的 15 μs 內(nèi)有效， 因此主機在讀時序開始后的 15 μs 內(nèi)釋放總線。

4 實驗測試

為了測試設計的系統(tǒng)工作情況及性能，需要進行實驗驗證分析。采用AMD Athlon（tm）X4 CPU，內(nèi)存為 8 GB，在Windows7 操作系統(tǒng)上進行，數(shù)據(jù)庫為 MySQL。

通過測試分析，實測溫度數(shù)據(jù)見表 1 所列，溫度實測誤差平均在 0.4 ～0.5℃之間，因此，軟件較正值設為 0.4℃。

經(jīng)仿真和實物測試，歷史數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中可追溯分析，數(shù)據(jù)采集可靠連續(xù)，實時工作滿足設計要求。數(shù)據(jù)采集節(jié)點實物如圖 4 所示。

圖 4 數(shù)據(jù)采集節(jié)點實物圖 

5 結(jié) 語

本文設計的可靠的溫度監(jiān)測系統(tǒng)為惡劣環(huán)境提供了一種 采集、監(jiān)控現(xiàn)場溫度的有效方案。可以利用監(jiān)控軟件實時監(jiān) 測溫度，也可以現(xiàn)場監(jiān)測，并能根據(jù)記錄的歷史溫度數(shù)據(jù)進行 有效分析和合理判斷，從而有效節(jié)省了人力資源，適用于需要 長時間監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境或環(huán)境惡劣的場所。此外，系統(tǒng)可以更 換不同的傳感器來測量其他環(huán)境參數(shù)，如測濕度、有毒氣體等， 具有一定的通用性。