李 強，董良雄，李衛(wèi)強

(浙江海洋學(xué)院，浙江 舟山 316000)

基于短距離無線通信技術(shù)的船用鍋爐液位輔助監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李 強，董良雄，李衛(wèi)強

(浙江海洋學(xué)院，浙江 舟山 316000)

文章對于船用鍋爐用汽量增大時出現(xiàn)的高、低位液位傳感器監(jiān)測“失靈”問題，在研究了船舶鍋爐啟動以及用汽量過大時鍋筒內(nèi)水位表面的物理特點后，對船用鍋爐液位監(jiān)測系統(tǒng)進行了總結(jié)，開發(fā)了一套基于短距離無線通信技術(shù)的船用鍋爐液位輔助監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計在機艙局域網(wǎng)范圍內(nèi)對鍋爐液位進行實時監(jiān)測的方式。系統(tǒng)在鍋爐液位監(jiān)測上進行了有效的運用和試驗，試驗結(jié)果表明，該設(shè)計能實時監(jiān)測鍋爐液位，設(shè)計實時性強，準(zhǔn)確度高，具有良好的可行性和現(xiàn)實意義。

船用鍋爐；液位監(jiān)測；局域網(wǎng)；移動設(shè)備

鍋爐是船舶動力裝置最早的自動控制設(shè)備，它可以自動控制水位，自動控制蒸汽壓力，控制鍋爐點火，控制燃燒時序和自動安全保護。在對機艙鍋爐液位監(jiān)測系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的船用鍋爐液位監(jiān)測與報警系統(tǒng)的不足之處是通過觀察鏡觀察到鍋爐液位會出現(xiàn)假象，甚至當(dāng)連通管路的濾器臟堵時，觀察鏡更不可信；當(dāng)前船舶鍋爐是高溫高壓水管鍋爐，這樣的鍋爐使用少量的水就能產(chǎn)生很大量的蒸汽，如果蒸汽需求量突然增加，鍋筒內(nèi)的壓力就會下降，鍋筒內(nèi)處于高壓下的一些水就會“閃發(fā)”成蒸汽，這些氣泡會使鍋筒內(nèi)水位升高。這種出現(xiàn)的虛水位，通過伺服電動機測出的不真實的高低水位，鍋爐內(nèi)部的液體量的降低也增加了鍋爐內(nèi)的蒸汽量，從而產(chǎn)生了虛假液位，如果監(jiān)測系統(tǒng)不能及時發(fā)現(xiàn)，將會導(dǎo)致船舶不能正常工作，甚至發(fā)生干燒等嚴重后果。因此提出一種解決鍋爐液位可靠監(jiān)測的系統(tǒng)是非常有必要的，以確保船舶安全、準(zhǔn)時抵港。這次設(shè)計從鍋爐液位數(shù)據(jù)采集分析和傳送途徑入手，通過參考其他局域網(wǎng)產(chǎn)品和數(shù)據(jù)軟件開發(fā)的設(shè)計[1]，將數(shù)據(jù)收集裝置、無線網(wǎng)等硬件和移動設(shè)備聯(lián)系在一起，短距離無線通信技術(shù)的船用鍋爐液位輔助監(jiān)測系統(tǒng)[2]，以輔助對鍋爐監(jiān)控，從而最大限度地提高了對鍋爐及機艙的安全管理。

1 監(jiān)測思路

船舶鍋爐監(jiān)測是輪機自動化的一個相當(dāng)重要的內(nèi)容，通過對鍋爐液位的實時監(jiān)測不僅改善了輪機管理人員的工作環(huán)境，減輕其勞動強度，及時發(fā)現(xiàn)鍋爐的運行故障，而且為實現(xiàn)無人機艙打好基礎(chǔ)。因而對船舶鍋爐液位監(jiān)測的設(shè)備要求更高。本設(shè)計從鍋爐數(shù)據(jù)采集分析和傳送入手，通過借鑒其他藍牙產(chǎn)品和軟件開發(fā)的設(shè)計，將數(shù)據(jù)采集裝置、藍牙等硬件和移動液晶顯示設(shè)備結(jié)合在一起[3]，開發(fā)了一套基于藍牙4.0傳輸液位數(shù)據(jù)的鍋爐液位實時采集、數(shù)據(jù)分析和高品質(zhì)傳送的船用鍋爐液位輔助監(jiān)測系統(tǒng)，以準(zhǔn)確完成對鍋爐液位數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含采集鍋筒內(nèi)液位信息的HV201數(shù)字型傳感器、鎖存器、下位機主控器、藍牙4.0數(shù)據(jù)分析和發(fā)射模塊；藍牙4.0模塊數(shù)據(jù)處理和接收模塊、通信電平轉(zhuǎn)換及無線設(shè)備接收端[4]。船舶液位監(jiān)測系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

圖1 船舶鍋爐液位監(jiān)測流程圖

2 硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集通常有2種途徑，1種是通對源數(shù)據(jù)的采集，甄別和選取。另1種是通過輪機自動化和電子信息技術(shù)記錄數(shù)據(jù)，使液位信息以直觀的數(shù)字信息顯示出來。船舶鍋爐液位信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計采用HV201數(shù)字溫度傳感器,該傳感器具有抗干擾能力強、響應(yīng)快、性價比高等優(yōu)點。

HV201為BCD碼液位傳感器，它是測量、控制液體自動化生產(chǎn)的重要組件，它采用磁性浮子在液體平面上與傳感器一起產(chǎn)生信號，安裝形式如圖2所示。

圖2 安裝形式圖

磁體機械部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 磁體機械部分結(jié)構(gòu)圖

HV201數(shù)字傳感器除了機械部分外，還有電氣部分，電氣部分由信號鑒別電路、整形電路、編碼電路、譯碼電路、鎖存電路、BCD碼輸出電路等組成，如圖4所示。

圖4 電氣部分圖

通過傳感器接收到的輸入信息可以輸出0至9BCD碼，輸出的數(shù)據(jù)可鎖存至新數(shù)據(jù)的到來?？芍苯优c各種BCD譯碼集成電路組成各式數(shù)字顯示與數(shù)字控制儀表。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收模塊的設(shè)計

本設(shè)計運用UART方式在手持液晶顯示設(shè)備和藍牙設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)。UART的方式傳送通信可靠，對于鍋爐運行環(huán)境和復(fù)雜的機艙環(huán)境是相當(dāng)重要的；由于該設(shè)計采用TI的CC2540作為核心處理器[5]，使得RF-BM-S01藍牙模塊具有體積小、功耗低的特點，而且2 MHz 間隙能更好地抵抗相鄰頻道的干擾，寬輸出功率調(diào)節(jié)(-23～4 dBm)，-93 dBm高增益的接收靈敏度。鑒于機艙環(huán)境惡劣、鍋爐運行環(huán)境惡劣及BLE特性特點，RF-BM-S01藍牙模塊更是作為本設(shè)計的首選。同時其相對于WIFI，Bluetooth 2.0 等無線應(yīng)用技術(shù)，該模塊具有低能耗、靈敏度高等優(yōu)點。

3 軟件設(shè)計

下位機主控器通過鎖存及A/D轉(zhuǎn)換與藍牙4.0模塊用指令一一應(yīng)答方式進行通信，當(dāng)鍋爐液位發(fā)生變化時，HV201液位傳感器會接收到變化信號，然后通過傳感器的鎖存程序，A/D轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵湟何坏母淖冃盘栞敵鰹殡娦盘柌l(fā)送至下位機主控器，當(dāng)液位沒有發(fā)生變化時，鎖存器將上次傳感器所采集到的信息鎖存起來，直到有更新后的最新數(shù)據(jù)輸入進來，無線設(shè)備接收端通過藍牙4.0向傳感系統(tǒng)發(fā)出通信信號，即可建立連接接收數(shù)據(jù)，否則處于待機狀態(tài)以節(jié)省電量；主控器通過藍牙等設(shè)備接收到指令，一般情況下會輸出一個反饋信號給主機控制器，從而進行主控器信號的輸入與輸出。下位機主控制器和RF-BM-S01藍牙模塊間通信的過程是通過系統(tǒng)鍵入HCI指令，進而觀察收到的HCI事件。當(dāng)2個藍牙模塊成功建立鏈路后，通過藍牙4.0模塊規(guī)定的數(shù)據(jù)包格式發(fā)送至接收端。其結(jié)構(gòu)流程如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)流程圖

本設(shè)計的軟件主要分為兩部分：數(shù)據(jù)的采集和藍牙通信。采用Keil C51設(shè)計軟件的原因，一是C語言在與其他編程語言相比簡單易學(xué)，二是Keil C51設(shè)計軟件的研發(fā)方案與鍋爐液位監(jiān)測設(shè)計系統(tǒng)密切相關(guān)，它通過集成開發(fā)環(huán)境將C編譯器、連接器、宏匯編、庫管理和仿真調(diào)試器等元件組合在一起，進而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動化效果。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部分程序如下：

{ float tt;unsigned char a,b;unsigned int temp;

if( HV201_Init() == 0 )

{HV201_Write_Byte(0xcc);

HV201_Write_Byte(0xbe);

a=HV201_Read_Byte();

b=HV201_Read_Byte();

temp = b; temp <<= 8;

temp = temp|a;

if(temp>0xfff)

{flag_temper=1;temp=(～temp)+1;}else

{flag_temper=0; }

tt = temp*0.0625; temp = tt*10+0.5;

藍牙4.0模塊無線發(fā)射部分通信軟件如下：

{Uart_Init();temp_buffer=Get_temp();

Delay_ms(1000);

while(1)

{ temp_buffer=Get_temp();BRTS=0;

Delay_ms(100);

UartPrintASCII(temp_buffer/100+0X30) ;

UartPrintASCII(temp_buffer%100/10+0X30);

UartPrintASCII(∵);

UartPrintASCII(temp_buffer%10 + 0X30);}}

手持終端藍牙4.0模塊無線接收部分通信軟件：

{SCON = 0X50; REN = 1; PCON = 0x00;

TMOD = 0x20; TH1 = 0xFD;

TL1 = 0xFD;TR1=1; ES=0; }

void UartPrintASCII(unsigned char c)

{ TI=0; SBUF=c;

while(TI==0); TI=0; }

void RECEIVE_DATA(void) interrupt 4 using 1

{ if(RI == 1)

{temp = SBUF;RI = 0;}}

4 實驗及結(jié)果分析

通過實驗科了解到鍋爐液位監(jiān)測系統(tǒng)達到了設(shè)計時制定的各項指標(biāo)限制，開發(fā)了一套可以在線檢測數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)，微機實時控制，顯示和保存數(shù)據(jù)等多任務(wù)的軟件包。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)特征，本文進行了測試，試驗方案為：以待測鍋爐的鍋筒內(nèi)淡水為試樣，進行靜態(tài)和動態(tài)對比試驗，在測試過程中，使鍋爐原有的監(jiān)控系統(tǒng)(即觀察鏡水位計)和設(shè)計的輔助監(jiān)測系統(tǒng)同時運行，將其各自液位系統(tǒng)下收集到的液位數(shù)據(jù)以時間標(biāo)準(zhǔn)記錄下來，同時用曲線圖的方式進行直觀的描述，得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 原有監(jiān)控系統(tǒng)下鍋筒水位與手持終端設(shè)備接收對比圖

在圖6中，下部曲線為鍋爐原有的監(jiān)控系統(tǒng)所測得的液位變化數(shù)據(jù)(人為讀數(shù)抄送具有間斷性)，上部曲線為設(shè)計的輔助系統(tǒng)所測得的水位數(shù)據(jù)，從該圖形可以看出輔助系統(tǒng)所測液位較原有監(jiān)控系統(tǒng)所測液位低。但這種誤差可以忽略，因為它對鍋爐安全運行以及船舶航行的作用甚微，這就證明了設(shè)計的輔助數(shù)據(jù)采集裝置完全符合實際的監(jiān)測要求。同時，為了更好的提高數(shù)據(jù)采集和處理的效果，所以在硬件電路中采取了防干擾措施，進而優(yōu)化其系統(tǒng)監(jiān)測。具體有如下功能。

1)鍋筒液位動態(tài)顯示。為了動態(tài)反映鍋爐水位變化的特點，在手持終端液晶顯示屏幕上用曲線圖的形式來表現(xiàn)一段時間內(nèi)的鍋爐液位，并輔助曲線顏色的變化，使水位的波動規(guī)律與實際情況相一致。

2)對鍋爐蒸汽系統(tǒng)的檢測監(jiān)督。包括蒸汽壓力、蒸汽溫度、蒸汽流量、鍋爐給水量等數(shù)據(jù)監(jiān)測。在日常運行中每間隔半小時采集并記錄一次數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)包括日期、時間、液位值，報警標(biāo)識符等。

對采集的數(shù)據(jù)分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)兩個部分，歷史數(shù)據(jù)就是液位未發(fā)生新的數(shù)值更新上一次的液位采集數(shù)據(jù)以及液位折線所對應(yīng)發(fā)生的日期和時間。傳送數(shù)據(jù)時用數(shù)據(jù)采集進度條顯示過程，數(shù)據(jù)采集完畢，按動數(shù)據(jù)處理按鈕，該系統(tǒng)就會對接收的信號進行處理及記錄。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、性能安全，不僅可以單獨運作，還可以與船舶上其它自動化系統(tǒng)連接使用；既可以在船舶機艙設(shè)備上智能化應(yīng)用，也可以擴展到其他工作環(huán)境惡劣的領(lǐng)域。通過試驗證明，該系統(tǒng)具有精確的數(shù)據(jù)傳輸精度和快速的響應(yīng)特性，將該系統(tǒng)運用到油輪上用以監(jiān)測貨油艙油位液位數(shù)值。也可以應(yīng)用到其他安全要求較高的船舶上，進行預(yù)防溢油的發(fā)生等其他船舶事故。

[1] 李良.無線傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].科技信息，2008(32)：80.

[2] 陳濤,劉景泰,邴志剛.無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究與運用綜述[J].自動化與儀表，2005(S1)：41-46.

[3] 許銘.藍牙技術(shù)的原理與實現(xiàn)[D].北京：中國科學(xué)院研究生院(計算技術(shù)研究所)，2002.

[4] 董國軍.藍牙無線通信技術(shù)及其應(yīng)用研究[D]. 天津:天津大學(xué)，2004.

[5] 金純，賈珍梅，劉魯云.基于CC2540的超低功耗藍牙模塊的設(shè)計[J].電視技術(shù)，2015(1)：60-64.

For marine boiler consumption of vapor increase of high and low liquid level sensor monitoring the failure problem，after studying the marine boiler start-up and excessive consumption of vapor inside the drum water level on the surface of the physical characteristics，for marine boiler liquid level monitoring system has carried on the induction, has developed a marine boiler liquid level based on the technology of short distance wireless communication auxiliary monitoring system，within the scope of design in the engine room local area network for real-time monitoring of the boiler liquid level.On the boiler liquid level monitoring system to carry on the effective use and test.The test results show that the design can real-time monitoring the boiler liquid level.The design's real-time performance is strong and high accuracy, which has good feasibility and practical significance.

marine boiler；level monitoring；local area network；mobile devices

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃項目(2014R411050)

李強(1992-)，男，安徽臨泉人，在讀本科生。

U672；TP212.1

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.01.009

2015-11-10