專利名稱：一種船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于船舶通信技術領域，尤其涉及一種船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
船舶機艙監(jiān)測是指通過對機艙內(nèi)設備工作狀況的實時監(jiān)測，及時獲知設備運行的安全狀況，在出現(xiàn)故障時，由值班員及時采取措施，是保證船舶安全可靠航行的必要手段。 目前，將WSN技術用于船舶機艙監(jiān)測具有覆蓋面廣、監(jiān)測量大的優(yōu)點，但其單一的競爭型或分配型MAC協(xié)議不能滿足突發(fā)情況下緊急數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸處理的要求。為了能夠準確可靠地替代輪機員實現(xiàn)對船舶機艙的監(jiān)測，降低輪機員的巡檢工作量，現(xiàn)有提供了一種采用有線方式的船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)，但由于船舶機艙內(nèi)設備繁多，布線復雜，且每臺設備需監(jiān)測的各種參數(shù)較多，有線方式下繁瑣的布線占據(jù)了原本有限的機艙空間，提高了布線難度，系統(tǒng)的可靠性差，且系統(tǒng)維護難度大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例的目的在于提供一種船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有有線方式的船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)占據(jù)了機艙空間、布線難度大、系統(tǒng)可靠性差且維護難度大的問題。本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括采集各船舶機艙內(nèi)監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，以及連接數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡、對采集的監(jiān)測參數(shù)進行分析管理并顯示的機艙監(jiān)測中心；數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡包括分別置于各機艙內(nèi)的多個無線采集子網(wǎng)，所述無線采集子網(wǎng)包括連接機艙監(jiān)測中心的中心節(jié)點；以及通過無線網(wǎng)絡連接中心節(jié)點，分別采集機艙內(nèi)監(jiān)測參數(shù)并通過中心節(jié)點將采集的監(jiān)測參數(shù)發(fā)送到機艙監(jiān)測中心的多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點。本發(fā)明提供的船舶監(jiān)測系統(tǒng)不同于現(xiàn)有的有線方式，通過無線網(wǎng)絡采集監(jiān)測參數(shù)，節(jié)約了機艙空間、降低了布線難度、提高了系統(tǒng)可靠性和實時性且降低了系統(tǒng)維護難度。


圖1是本發(fā)明提供的船舶監(jiān)測系統(tǒng)的原理圖2是本發(fā)明中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點的結構圖3是本發(fā)明中，中心節(jié)點的結構圖4是本發(fā)明中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點的電路圖5是本發(fā)明中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點的環(huán)形天線匹配電路圖6是本發(fā)明中，中心節(jié)點的電路圖7是本發(fā)明中，船舶監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)采集節(jié)點與中心節(jié)點的數(shù)據(jù)交互流程圖
圖8是本發(fā)明中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù)據(jù)交換時段流程圖9是本發(fā)明中，中心節(jié)點數(shù)據(jù)交換時段流程圖；圖10是本發(fā)明中，基于CSMA/TDMA混合MAC協(xié)議的時序圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖1所示，本發(fā)明提供的船舶監(jiān)測系統(tǒng)包括采集各船舶機艙內(nèi)監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡1 ；以及連接數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡1、對采集的監(jiān)測參數(shù)進行分析管理并顯示的機艙監(jiān)測中心2。其中的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡1進一步包括分別置于各機艙內(nèi)的多個無線采集子網(wǎng)，該無線采集子網(wǎng)包括連接機艙監(jiān)測中心2的中心節(jié)點11 ；以及通過無線網(wǎng)絡連接中心節(jié)點 11，分別采集機艙內(nèi)監(jiān)測參數(shù)并通過中心節(jié)點1將采集的監(jiān)測參數(shù)發(fā)送到機艙監(jiān)測中心2 的多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點12。其中，無線采集子網(wǎng)可以是現(xiàn)有各種拓撲結構的無線網(wǎng)絡，如星型網(wǎng)絡、樹型網(wǎng)絡等；其中，機艙監(jiān)測中心2與中心節(jié)點11之間通過RS-485總線連接；其中，監(jiān)測參數(shù)根據(jù)實際需要的不同，可以是指機艙內(nèi)的溫度、濕度、壓力、振動幅度等物理量中的一種或幾種；其中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點12優(yōu)選布置于機艙底層。與現(xiàn)有的有線方式不同，本發(fā)明提供的船舶監(jiān)測系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡采集監(jiān)測參數(shù)，節(jié)約了機艙空間、降低了布線難度、提高了系統(tǒng)可靠性和實時性且降低了系統(tǒng)維護難度。如圖2所示，數(shù)據(jù)采集節(jié)點12包括采集機艙內(nèi)監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)采集單元21 ；連接數(shù)據(jù)采集單元21，對監(jiān)測參數(shù)進行處理的第一微處理器單元22 ；連接第一微處理器單元 22，將轉(zhuǎn)換后的監(jiān)測參數(shù)發(fā)送給中心節(jié)點11的第一無線通信單元23 ；以及連接數(shù)據(jù)采集單元21、第一微處理器單元22和第一無線通信單元23的第一電源單元24。如圖3所示，中心節(jié)點11包括連接機艙監(jiān)測中心2的串行通信單元33 ；接收中心節(jié)點11發(fā)送的監(jiān)測參數(shù)的第二無線通信單元31 ；連接第二無線通信單元31，對監(jiān)測參數(shù)進行處理后通過串行通信單元33發(fā)送給機艙監(jiān)測中心2的第二微處理器單元32 ；連接第二微處理器單元32，存儲無線采集子網(wǎng)的設置參數(shù)及報警信息的存儲單元34 ；連接第二微處理器單元32，在監(jiān)測參數(shù)超過報警閾值時發(fā)出聲光報警的報警單元35 ；連接串行通信單元33、第二無線通信單元31、第二微處理器單元32、存儲單元34和報警單元35的第二電源單元36。圖4以監(jiān)測參數(shù)是溫度為例，示出了數(shù)據(jù)采集節(jié)點12的電路。其中，第一微處理器單元22采用型號為MSP430F149的單片機芯片U2。其中，數(shù)據(jù)采集單元21包括一 K型熱電偶及其調(diào)理電路，該調(diào)理電路優(yōu)選為型號為MAX6675的芯片，在實際應用中，可根據(jù)監(jiān)測溫升范圍的不同，選擇其它合適的調(diào)理電路。其中，第一電源單元M是鋰電池供電，是一基于型號為TPS60100的電荷泵的穩(wěn)壓電路，輸出3. 3V電源。其中，第一無線通信單元23采用型號為nRF905的射頻芯片，可以根據(jù)監(jiān)測對象特點選擇環(huán)形天線或柱狀天線，圖5是環(huán)形天線匹配電路圖。
圖6是中心節(jié)點11的電路圖。其中，串行通信單元33采用型號為MAX485的電路芯片。其中，第二無線通信單元31采用型號為I1RF905的射頻芯片。其中，第二微處理器單元32采用型號為MSP430F149的單片機芯片。其中，第二電源單元36分別采用型號為LM2575的穩(wěn)壓芯片以輸出5V供電電壓， 并采用型號為LM1117的穩(wěn)壓芯片以輸出3. 3V供電電壓。其中，存儲單元34采用型號為ATM⑶2的存儲芯片。圖7是船舶監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點12與中心節(jié)點11的數(shù)據(jù)交互流程圖。每一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點12都有唯一的軟件地址，這也是數(shù)據(jù)采集節(jié)點12和中心節(jié)點11交換數(shù)據(jù)的標識，中心節(jié)點11之間不進行通信。具體流程包括步驟S11，組網(wǎng)時段中心節(jié)點11廣播組網(wǎng)命令，數(shù)據(jù)采集節(jié)點12以CSMA方式申請加入網(wǎng)絡。中心節(jié)點11接收到數(shù)據(jù)采集節(jié)點12的申請命令后，給它返回ACK信號，同時建立地址表記錄該數(shù)據(jù)采集節(jié)點12地址，數(shù)據(jù)采集節(jié)點12收到ACK信號后，置網(wǎng)絡標號為 1，表明已成功加入網(wǎng)絡。未加入網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集節(jié)點12不能進入下一個時段。步驟S12，采集/等待時段中心節(jié)點11給在網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點12發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令，接著做好接收的準備，等待數(shù)據(jù)采集節(jié)點12數(shù)據(jù)的到來。數(shù)據(jù)采集節(jié)點12收到中心節(jié)點11的采集數(shù)據(jù)命令后，開始采集工作。步驟S13，數(shù)據(jù)交換時段。步驟S14，休眠/串口通信時段數(shù)據(jù)采集節(jié)點12返回采集到得數(shù)據(jù)之后進入休眠時段，直到下一個循環(huán)周期到來時再喚醒。中心節(jié)點11則在這一時段等待并響應串口通信命令。其中，步驟S13包括有數(shù)據(jù)采集節(jié)點12的數(shù)據(jù)交換時段和中心節(jié)點11的數(shù)據(jù)交換時段。數(shù)據(jù)采集節(jié)點12的數(shù)據(jù)交換時段的流程如圖8所示，中心節(jié)點11的數(shù)據(jù)交換時段的流程如圖9所示，該時段設計了一種基于CSMA/TDMA的混合MAC協(xié)議——數(shù)據(jù)采集節(jié)點12采集數(shù)據(jù)完畢之后，將數(shù)據(jù)與報警值相比，如果超出報警值，則判定自己為優(yōu)先節(jié)點， 否則為普通節(jié)點。優(yōu)先節(jié)點具有較高的發(fā)送優(yōu)先級，采用CSMA方式通信，而普通節(jié)點采用 TDMA方式通信。當中心節(jié)點11接收完所有優(yōu)先節(jié)點的數(shù)據(jù)時，它會查詢地址表，知道網(wǎng)絡中還有哪些普通節(jié)點，并根據(jù)普通節(jié)點的地址分配時隙優(yōu)先級，同時把這些時隙分配的信息封裝在同步命令中。普通節(jié)點接收到同步命令后，能夠解析出自己的時隙優(yōu)先級，從而設置定時時間，在屬于自己的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，如果中心節(jié)點11連續(xù)三個周期沒有收到數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，就認為該數(shù)據(jù)采集節(jié)點已經(jīng)掉電退出網(wǎng)絡了，就會發(fā)出聲光報警通知工作人員處理，同時刪除其在地址表中的地址。具體地，如圖8所示，數(shù)據(jù)采集節(jié)點12的數(shù)據(jù)交換時段流程包括以下步驟步驟S21，數(shù)據(jù)交換時段開始后，判斷是否是優(yōu)先節(jié)點，是則執(zhí)行步驟S22，否則執(zhí)行步驟S27。步驟S22，判斷⑶是否是1，是則執(zhí)行步驟S24，否則執(zhí)行步驟S23。步驟S23，返回采集數(shù)據(jù)。步驟S24，產(chǎn)生一個隨機延時。步驟S25，判斷是否收到ACK，是則執(zhí)行步驟S26，否則執(zhí)行步驟S22。
步驟S26，進入休眠時段。步驟S27，等待中心節(jié)點同步命令。步驟S28，解析同步命令，確定時隙，延時發(fā)送數(shù)據(jù)。具體地，如圖9所示，中心節(jié)點11的數(shù)據(jù)交換時段流程包括以下步驟步驟S31，數(shù)據(jù)交換時段開始后，置nRF905為接收狀態(tài)。步驟S32，判斷是否有優(yōu)先節(jié)點返回的數(shù)據(jù)，是則執(zhí)行步驟S33，否則執(zhí)行步驟 S34。步驟S33，接收并處理突發(fā)數(shù)據(jù)，返回ACK。步驟S34，延時一段時間。步驟S35，判斷是否到定時時間，是則執(zhí)行步驟S36，否則執(zhí)行步驟S31。步驟S36，發(fā)送同步命令。步驟S37，接收普通節(jié)點返回的數(shù)據(jù)。步驟S38，進入串口通信時段。圖10是本發(fā)明所設計的基于CSMA/TDMA混合MAC協(xié)議的時序圖，在數(shù)據(jù)交換時段 T3內(nèi)，tO-tl傳輸幀頭消息，表明該時段的開始并判斷節(jié)點為普通節(jié)點或優(yōu)先節(jié)點；tl-t2 優(yōu)點節(jié)點競爭信道，以CSMA方式發(fā)送數(shù)據(jù)；中心節(jié)點不斷監(jiān)聽信道，當檢測到信道持續(xù)空閑t2-t3時間，表明所有優(yōu)點節(jié)點的數(shù)據(jù)接收完畢，立即廣播同步信號(t3-t4)，以TDMA方式接收普通節(jié)點數(shù)據(jù)(t4-t5)。優(yōu)先節(jié)點和普通節(jié)點在發(fā)送完數(shù)據(jù)之后都進入休眠狀態(tài)。本發(fā)明提供的船舶監(jiān)測系統(tǒng)不同于現(xiàn)有的有線方式，通過無線網(wǎng)絡采集監(jiān)測參數(shù)，在無線網(wǎng)絡內(nèi)部，為了使中心節(jié)點和數(shù)據(jù)采集節(jié)點的通信同步有序地進行，設計時把整個網(wǎng)絡通信分為組網(wǎng)時段、采集/等待時段、數(shù)據(jù)交換時段、休眠/串口通信時段。各個時段分工明確同時又緊密配合，共同完成對數(shù)據(jù)的原始采集、緊急數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸和報警響應等功能。所設計的CSMA/TDMA混合MAC協(xié)議能夠迅速響應故障報警，有效保障設備的安全運行，同時節(jié)約了機艙空間、降低了布線難度、提高了系統(tǒng)可靠性且降低了系統(tǒng)維護難度。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括采集各船舶機艙內(nèi)監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，以及連接數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡、對采集的監(jiān)測參數(shù)進行分析管理并顯示的機艙監(jiān)測中心；數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡包括分別置于各機艙內(nèi)的多個無線采集子網(wǎng)，所述無線采集子網(wǎng)包括連接機艙監(jiān)測中心的中心節(jié)點；以及通過無線網(wǎng)絡連接中心節(jié)點，分別采集機艙內(nèi)監(jiān)測參數(shù)并通過中心節(jié)點將采集的監(jiān)測參數(shù)發(fā)送到機艙監(jiān)測中心的多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點。
2.如權利要求1所述的船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述無線采集網(wǎng)絡是星型拓撲結構的網(wǎng)絡；機艙監(jiān)測中心與中心節(jié)點之間通過RS-485總線連接；所述監(jiān)測參數(shù)是機艙內(nèi)的溫度、濕度、壓力、和/或振動幅度。
3.如權利要求1所述的船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)采集節(jié)點包括 采集機艙內(nèi)監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)采集單元；連接數(shù)據(jù)采集單元，對監(jiān)測參數(shù)進行處理的第一微處理器單元； 連接第一微處理器單元，將轉(zhuǎn)換后的監(jiān)測參數(shù)發(fā)送給中心節(jié)點的第一無線通信單元； 連接數(shù)據(jù)采集單元、第一微處理器單元和第一無線通信單元的第一電源單元。
4.如權利要求3所述的船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，第一微處理器單元采用型號為MSP430F149的單片機芯片；數(shù)據(jù)采集單元包括一 K型熱電偶及其調(diào)理電路，該調(diào)理電路為型號為MAX6675的芯片；第一電源單元是一基于型號為TPS60100的電荷泵的穩(wěn)壓電路； 第一無線通信單元采用型號為HRF905的射頻芯片。
5.如權利要求1所述的船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，中心節(jié)點包括 連接機艙監(jiān)測中心的串行通信單元；接收中心節(jié)點發(fā)送的監(jiān)測參數(shù)的第二無線通信單元；連接第二無線通信單元，對監(jiān)測參數(shù)進行處理后通過串行通信單元發(fā)送給機艙監(jiān)測中心的第二微處理器單元；連接第二微處理器單元，存儲無線采集子網(wǎng)的設置參數(shù)及報警信息的存儲單元； 連接第二微處理器單元，在監(jiān)測參數(shù)超過報警閾值時發(fā)出聲光報警的報警單元； 連接串行通信單元、第二無線通信單元、第二微處理器單元、存儲單元和報警單元的第二電源單元。
6.如權利要求5所述的船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，串行通信單元采用型號為 MAX485的電路芯片；第二無線通信單元采用型號為riRF905的射頻芯片；第二微處理器單元采用型號為MSP430F149的單片機芯片；第二電源單元分別采用型號為LM2575的穩(wěn)壓芯片以輸出5V供電電壓，并采用型號為LM1117的穩(wěn)壓芯片以輸出3. 3V供電電壓；存儲單元采用型號為AT24C02的存儲芯片。
7.如權利要求1所述的船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集節(jié)點與中心節(jié)點的數(shù)據(jù)交互過程包括以下步驟步驟S11，組網(wǎng)時段中心節(jié)點廣播組網(wǎng)命令，數(shù)據(jù)采集節(jié)點以CSMA方式申請加入網(wǎng)絡；中心節(jié)點接收到數(shù)據(jù)采集節(jié)點的申請命令后，給它返回ACK信號，同時建立地址表記錄該數(shù)據(jù)采集節(jié)點地址，數(shù)據(jù)采集節(jié)點收到ACK信號后，置網(wǎng)絡標號為1，表明已成功加入網(wǎng)絡；未加入網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集節(jié)點不能進入下一個時段；步驟S12，采集/等待時段中心節(jié)點給在網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令，接著做好接收的準備，等待數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù)據(jù)的到來；數(shù)據(jù)采集節(jié)點收到中心節(jié)點的采集數(shù)據(jù)命令后，開始采集工作；步驟S13，數(shù)據(jù)交換時段；步驟S14，休眠/串口通信時段數(shù)據(jù)采集節(jié)點返回采集到的數(shù)據(jù)之后進入休眠時段， 直到下一個循環(huán)周期到來時再喚醒；中心節(jié)點則在這一時段等待并響應串口通信命令。
8.如權利要求7所述的船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，步驟S13包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)交換時段，包括以下步驟步驟S21，數(shù)據(jù)交換時段開始后，判斷是否是優(yōu)先節(jié)點，是則執(zhí)行步驟S22，否則執(zhí)行步驟 S27 ；步驟S22，判斷⑶是否是1，是則執(zhí)行步驟S24，否則執(zhí)行步驟S23 ； 步驟S23，返回采集數(shù)據(jù)； 步驟S24，產(chǎn)生一個隨機延時；步驟S25，判斷是否收到ACK，是則執(zhí)行步驟S26，否則執(zhí)行步驟S22 ；步驟S26，進入休眠時段；步驟S27，等待中心節(jié)點同步命令；步驟S28，解析同步命令，確定時隙，延時發(fā)送數(shù)據(jù)。
9.如權利要求7所述的船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，步驟S13包括中心節(jié)點11的數(shù)據(jù)交換時段，包括以下步驟步驟S31，數(shù)據(jù)交換時段開始后，置nRF905為接收狀態(tài)；步驟S32，判斷是否有優(yōu)先節(jié)點返回的數(shù)據(jù)，是則執(zhí)行步驟S33，否則執(zhí)行步驟S34 ； 步驟S33，接收并處理突發(fā)數(shù)據(jù)，返回ACK ； 步驟S34，延時一段時間；步驟S35，判斷是否到定時時間，是則執(zhí)行步驟S36，否則執(zhí)行步驟S31 ； 步驟S36，發(fā)送同步命令； 步驟S37，接收普通節(jié)點返回的數(shù)據(jù)； 步驟S38，進入串口通信時段。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)，包括采集各船舶機艙內(nèi)監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，以及連接數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡、對采集的監(jiān)測參數(shù)進行分析管理并顯示的機艙監(jiān)測中心；數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡包括分別置于各機艙內(nèi)的多個獨立的無線采集子網(wǎng)，所述無線采集子網(wǎng)包括連接機艙監(jiān)測中心的中心節(jié)點；以及通過無線網(wǎng)絡連接中心節(jié)點，分別采集機艙內(nèi)監(jiān)測參數(shù)并通過中心節(jié)點將采集的監(jiān)測參數(shù)發(fā)送到機艙監(jiān)測中心的多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點。本發(fā)明提供的船舶監(jiān)測系統(tǒng)不同于現(xiàn)有的有線方式，通過無線網(wǎng)絡采集監(jiān)測參數(shù)，節(jié)約了機艙空間、降低了布線難度、提高了系統(tǒng)可靠性和實時性且降低了系統(tǒng)維護難度。
文檔編號G08C17/02GK102426771SQ20111040581
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權日2011年12月8日
發(fā)明者任俊杰, 劉彥呈, 張勤進, 張巧芬, 張潔喜, 王川, 趙友濤, 郭昊昊 申請人:大連海事大學