基于物联网的船舱环境监测监控系统设计

张鹏; 孙红艳

【期刊名称】《《电子科技》》 【年(卷),期】2019(032)010 【总页数】4页(P79-82)

【关键词】物联网技术; 船舱环境监测监控系统; 无线传感网络; ZigBee无线通信 【作 者】张鹏; 孙红艳

【作者单位】江苏安全技术职业学院电气工程系 江苏徐州221011 【正文语种】中 文

【中图分类】TN912; TP934

随着技术融合时代的到来，船舶自动化程度越来越高，人们对船舱环境的安全性、舒适性及数据采集实时性、监测监控高效性，特别是火灾报警准确性要求越来越高。针对船舶长时间海上运行及恶劣的气候条件，船舱成为人员及重要货物、设备的场所，环境的舒适度对于工作人员的身体健康有很大影响，由于相对、狭小，如果发生火灾不能及时报警，后果不堪设想[1-2]。同时，传统的有线方式不易布线，安全隐患，且不易增加监测节点，实时性不高。随着物联网技术和无线传感网络的应用，本文基于物联网的船舱环境监测监控系统的设计采用ZigBee无线通信传输数据，实时性、可靠性、灵活性提高，同时采用视频与检测相结合，及时报警火灾情况，对于船舱环境监测及火灾报警有很好的实际应用意义。

1 系统总体设计

为了有效监测监控船舶船舱的环境参数，本系统设计基于物联网技术，在感知层通过各类传感器感知、采集环境数据，通过传输层传输数据信息，在应用层对数据进行处理应用[3]。系统总体结构模型有传感器终端模块、ZigBee模块、ARM网关模块、无线传输模块、视频监控模块、电源模块。其中传感器终端模块包括：温湿度传感器、光照度传感器、气体/烟雾传感器等环境参数采集模块。通过敏感元件将采集到的环境参数数值经过信号处理单元处理后通过ZigBee模块无线传输数据；因为船舶的复杂的环境及特殊材料的原因我们增加路由器模块，扩大ZigBee的通信距离，组成无线通信网络，方便灵活的组网模式，方便增加不同的传感器终端节点；ZigBee模块组建无线传感网络，让通讯更有效率、更高的稳定性。ZigBee协调器将组建无线网络，路由器及传感器节点加入到网络中，进行信息的传送和接收[4]。ZigBee协调器将汇总的信息通过串口线传送到ARM网关模块，进行信息的处理及调试、汇总通过无线网卡，无线传输给TP-Link，然后传送给上位机模块，显示控制处理相关环境参数信息，实时远程监控船舱参数信息。同时火灾报警是船舱监测监控的重中之重。本系统结合气体/烟雾传感器、温度传感器及视频监控模块融合数据，报警及时发现火灾。系统总体结构图如图1所示。 图1 系统总体结构图Figure 1. General structure of the system 2 硬件设计

本系统的硬件设计通过嵌入式ARM网关控制，通过传感器终端节点采集船舱环境数据，ZigBee组网传输数据的ZigBee协调器模块及视频监控模块和电源模块组成。

2.1 嵌入式ARM网关

本设计主控处理器选用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103C8T6芯片。STM32F103系列微处理器的低成本、低功耗，高性能，同时卓越的计算性能和先

进的中断响应系统、丰富的片上资源能够满足本设计需求，同时配备7寸液晶显示屏，配备必要的串口、USB接口，RJ45网络接口等方便外连接口。将采集到的船舱数据汇总处理。 2.2 ZigBee终端采集模块

ZigBee终端采集模块由传感器模块和ZigBee无线传输模块组成，主要是传送传感器采集的数据和接收控制信号，考虑到现场不容易接线等原因，本文采用5号电池供电。 2.2.1 传感器模块

船舱监测监控系统的传感器模块包括温湿度传感器、光照度传感器、气体/烟雾传感器等传感器检测，同时可以根据后面的需要适时增加相关传感器的接入，底板上面有相应的插孔方便更换传感器模块[5-7]。

(1)温湿度传感器模块。温湿度传感器采用瑞士Sensirion公司的SHT10，它由1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件组成，并与1个14位A/D转换器以及1个2-wire数字接口在单芯片中无缝结合，使得该产品具有功耗低、反应快、抗干扰能力强、面积小便于安装等优点。平均电流仅为28 μA，几乎适合任何苛刻要求。测湿精度±45%RH，测温精度±0.5 ℃。将SHT10的DATA接到ARM的PB12脚，将SCK 接PB13脚，VDD接电源，GND 接地。

(2)光照度传感器。选用采用ROHM原装BH1750FVI芯片，是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。支持0-65535LX的测量范围，内置A/D转换器，直接数字输出，省略复杂的计算，同时接近于视觉灵敏度的分光特性，可对广泛的亮度进行1LX的高精度测定。通过高精度PD二极管获取的光源信号经过集成运算放大器将电流转换为电压，再通过A/D转换为16位数据。BH1750使用I2C接口，CLK接PB8，SDA接PB9。

(3)气体/烟雾传感器模块。气体/烟雾传感器采用TELESKY的MQ-2传感器模块。

测量范围广、灵敏度高、驱动电路简单等优点，将DOUT脚接PB10。 图2 电路连接图Figure 2. Connection diagram 2.2.2 ZigBee无线传输模块

ZigBee无线传输模块节点模块采用CC2530处理器，通过ZigBee无线传输协议连入ZigBee协调器组建的无线网络中去，通过传感器模块采集的船舱的温湿度、光照度、烟雾等数据通过单片机处理后，通过ZigBee节点传输到协调器[8-12]。 2.3 ZigBee协调器模块

负责组建ZigBee无线传输网络和网络参数的设置，通过网络初始化确认是否存在协调器，网络中只能存在一个协调器，如果没有搜到，则作为协调器，广播发射信标。然后扫描，产生独有的网络标识符，等待ZigBee终端节点的接入[13]。ZigBee通信结构如图3所示。

图3 ZigBee通信结构图Figure 3. ZigBee communication architecture 2.4 视频监控模块

采用无线WiFi网络摄像头，可以实时监控船舱内的状况，当出现火灾的时候通过烟雾传感器和视频监控共同确定火灾情况，准确有效。支持PC机及手机端的远程视频监控。通过快速配置工具来搜索网络摄像头的IP地址，然后通过IE浏览器登录网络摄像头的地址进入，进行监控[14-15]。 3 软件设计

基于物联网技术的船舱监测监控系统软件设计主要是船舱环境数据的采集处理、ZigBee无线网络组建、上位机监测监控软件的设计等主要部分。ZigBee无线网络组建部分，在感知层通过各类传感器感知、采集环境数据，通过传输层传输数据信息，在应用层对数据进行处理应用。主要是ZigBee协调器与ZigBee终端节点组建好网络后，通过上位机软件通过路由器发出采集船舱环境数据指令后，通过无线WiFi发送到嵌入式网关。嵌入式网关通过无线网卡接收数据，通过RS232串

口线将指令传给ZigBee协调器，协调器将指令通过ZigBee无线传输，送到相应的传感器终端采集相应的数据返回到上位机，进行分析处理。系统的主流程图如图4所示[16]。

ZigBee组网主要是对CC2530进行初始化，ZigBee协调器组建一个网络，ZigBee节点终端通过通信协议请求加入网络中，协调器同意后分配地址，ZigBee终端节点接入网络形成组网。上位机发出的检测集控信息由ZigBee协调器，接受到命令后发送给ZigBee节点终端，开始采集船舱的环境参数信息。ZigBee组网流程图如图5所示。

图4主程序流程图Figure 4.Main program flow chart 图5ZigBee组网流程图Figure 5.ZigBee networking flow chart 4 系统实验结果与分析

本系统主要是对船舱的环境进行实时的监测监控，准确掌控环境参数，同时及时发现火灾等情况，及时作出正确的处理。布置传感器、ZigBee协调器、ZigBee节点、路由器、嵌入式网关，每隔5 min刷新一次数据，实时更新传感器数据上传到上位机，进行比较分析，从上位机软件中可以单独查询每个传感器节点的数据，也同时监测全部传感器节点的数据，同时可以通过监控摄像头监控船舱里面的实际画面。

图6 船舱环境检测监控系统图Figure 6. Cabin environment monitoring system chart 5 结束语

本文针对传统船舱环境数据监测监控方法的弊端，结合物联网技术，通过ZigBee无线通信及WiFi相结合，实时监测监控船舱环境数据，并无线传输，实时显示，有良好的实际应用价值。 参考文献

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