鐘 蕊， 安博文， 陳 維， 倪訓鵬， 潘勝達

(1.上海海事大學 信息工程學院,上海 201306；2.浦東海事局危管防污中心,上海 200086)

0 引 言

船舶燃油燃燒排放的污染物主要包括硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物和顆粒物，其中,硫氧化物和氮氧化物對大氣和人類的危害最嚴重。由于船舶安裝尾氣過濾裝置的情況較少，尾氣污染物隨風飄向沿海與內(nèi)河港口城市，加重城市環(huán)境污染。我國交通部自2016年正式施行《珠三角、長三角、環(huán)渤海(京津冀)水域船舶排放控制區(qū)實施方案》以來，不斷提高限制硫和氮排放的要求，擴大排放控制區(qū)范圍?，F(xiàn)階段海事監(jiān)管部門的監(jiān)控手段多針對燃油，缺少對船舶尾氣的直接監(jiān)控。目前常用的船舶尾氣檢測方法主要有兩種，一是可遠距離監(jiān)測的光學法，二是直接對尾氣進行采樣檢測的嗅探法[1]。本文設計的尾氣排放監(jiān)測系統(tǒng)基于嗅探法，以吊艙的形式安裝在無人機上，具有靈活性高，易于維護的特點[2]，對排放控制區(qū)內(nèi)的船舶進行監(jiān)測，為海事監(jiān)管部門提供港區(qū)船舶尾氣濃度數(shù)據(jù)。

1 總體設計

船舶尾氣排放監(jiān)測系統(tǒng)主要是監(jiān)控港區(qū)在航船舶的尾氣濃度，通過無人機搭載吊艙進行尾氣檢測，吊艙主要由氣路模塊、傳感器組、主控單元構(gòu)成。

氣路模塊由進氣管、過濾嘴、微型氣泵和排氣管構(gòu)成，其主要用來對尾氣進行預處理，氣泵為傳感器模組提供尾氣傳輸動力，傳感器模組實時采集尾氣中SO2和CO2體積分數(shù)和溫濕度等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)主控單元分析整理后通過4 G網(wǎng)絡傳輸?shù)皆贫朔掌鳌?/p>

系統(tǒng)軟件移植了FreeRTOS，它是一種開源、內(nèi)核精簡、裁剪方便的實時操作系統(tǒng)[3]，但其本身沒有提供文件管理功能，因此，同時也移植了一種開源小巧并且讀寫高效的文件管理系統(tǒng)，即FATFS[4]，使用FreeRTOS和FATFS作為系統(tǒng)軟件設計平臺，確保吊艙系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。

2 系統(tǒng)硬件設計

主控芯片采用意法半導體公司的STM32f103RCT6微控制器(micro controller unit,MCU)[5]，控制其他各個模塊的運作：氣泵控制模塊通過調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比改變氣泵轉(zhuǎn)速，控制進氣速度；數(shù)字量采集模塊完成兩路串口數(shù)據(jù)和一路I2C總線數(shù)據(jù)的接收，接收的信息包括SO2和CO2體積分數(shù)以及溫濕度信息；GPS定位模塊負責采集工作狀態(tài)中吊艙的位置信息和時間信息；存儲模塊完成尾氣數(shù)據(jù)的備份操作；4 G通信模塊的功能是在吊艙工作過程中，實時將主控模塊整合好的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器。

2.1 電源模塊

電源模塊是吊艙結(jié)構(gòu)中最重要的模塊之一，其性能和穩(wěn)定性直接影響吊艙工作性能的優(yōu)劣。由于該系統(tǒng)中模塊較多，工作電壓需求不同且電壓差較大，如氣泵模塊需要同時用到24 V和5 V電壓，主控芯片需要用3.3 V電壓，4 G通信模塊需要用到3.9 V電壓，因此，電源模塊采用兩級降壓的方式設計。

具體降壓過程如下：吊艙系統(tǒng)的外部供電采用無人機提供的24 V電源，24 V電壓通過TPS5430電壓轉(zhuǎn)換模塊輸出7 V電壓；7 V電壓再分別通過AMS1117—5.0,AMS1117—3.3,MIC29302WU模塊輸出5,3.3,3.9 V電壓。

2.2 氣泵控制模塊

氣泵采用KLP04—320—24微型隔膜泵，其額定工作電壓為24 V，由無人機直接提供，負載電流為150 mA，氣體流量為(320±80)mL/min。主控芯片可以通過調(diào)節(jié)輸出脈沖占空比來控制氣泵流速，以滿足吊艙在不同工況下運行時對氣體流量的不同需求。

2.3 數(shù)字量采集模塊

吊艙系統(tǒng)需要完成對溫濕度信息、CO2和SO2體積分數(shù)信息的接收與存儲。數(shù)字量采集模塊使用一路I2C總線和兩路UART總線，實現(xiàn)主控制器與外接傳感器之間的通信。溫濕度傳感器型號為SHT21，輸出采用標準的I2C格式，其濕度工作范圍為0 %～100 %RH，溫度工作范圍為-40～125 ℃，工作電壓范圍為2.1～3.6 V，功耗為3.2 μW。SO2和CO2傳感器的型號分別為SO2-B4和CO2-IRC-A1，檢測原理分別為電化學[6]和非色散紅外[7]。主控芯片通過串口USART3和UART4與其通信，傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 氣體傳感器參數(shù)

2.4 GPS定位模塊

定位模塊采用L76C模塊，支持多衛(wèi)星系統(tǒng)聯(lián)合定位，包括GPS、BeiDou、GLONASS和Gallileo等，性能穩(wěn)定，定位精度小于等于2.5 m CEP，采樣頻率最高達10 Hz。該模塊提供UART和I2C兩種數(shù)據(jù)傳輸接口，主控芯片通過串口UART5與其通信，獲取吊艙經(jīng)緯度和時間信息。GPS定位模塊電路如圖1所示。

圖1 GPS定位模塊電路

2.5 4 G通信模塊

4 G通信采用EC20模塊，可向下兼容2 G/3 G，支持LTE-FDD，LET-TDD，WCDMA，TD-SCDMA，GSM等多種網(wǎng)絡數(shù)據(jù)連接，同時內(nèi)置了豐富的網(wǎng)絡協(xié)議和多個工業(yè)標準接口，主控芯片通過串口USART1與該模塊進行AT命令傳送和數(shù)據(jù)傳輸，向數(shù)據(jù)庫端發(fā)送尾氣數(shù)據(jù)采用TCP網(wǎng)絡協(xié)議。通信模塊接口電路如圖2所示，其中虛線部分省略了具體的電路。

圖2 4 G通信模塊電路示意

2.6 存儲模塊

考慮到港區(qū)海面上4 G信號未覆蓋或信號弱的情況，難以做到數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫，該系統(tǒng)添加了存儲模塊，將所有檢測數(shù)據(jù)備份到存儲設備。STM32F103控制器支持兩種SD卡操作模式：SDIO模式和SPI模式。SDIO方式數(shù)據(jù)傳輸速度較快，由于需要存儲的數(shù)據(jù)量不大，因此采用SPI模式，此模式對硬件接口兼容性較好，且容易編程實現(xiàn)。

3 軟件設計

3.1 總體設計

吊艙主控制器需要完成多只傳感器的數(shù)據(jù)采集、GPS定位數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)整合存儲、數(shù)據(jù)傳輸、氣泵控制等多個工作。系統(tǒng)的軟件設計移植了FreeRTOS和FATFS，以滿足系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性的要求，將主控制器需要完成的工作劃分成多個獨立的任務，由調(diào)度器完成多任務運行調(diào)度，使用消息隊列完成任務間的數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)軟件設計如圖3所示，圖中步驟(1)～步驟(4)為系統(tǒng)軟件主函數(shù)運行流程。

圖3 系統(tǒng)軟件設計框圖

3.2 初始化設計

首先,需要對保存吊艙配置信息的Flash區(qū)進行初始化，包括吊艙編號、出廠日期、數(shù)據(jù)上報速率以及氣泵電機轉(zhuǎn)速等信息。然后,初始化5個串口的配置，串口分別用來和以下模塊進行數(shù)據(jù)傳輸：EC20通信模塊、調(diào)試接口、SO2氣體傳感器接口、CO2氣體傳感器接口、GPS定位模塊。接著,初始化主控芯片與各模塊相連的總線接口或GPIO口的配置，包括 GPS模塊復位端口、溫濕度傳感器I2C總線接口、用于氣泵調(diào)速的硬件定時器端口以及通信模塊的電源控制端口等。最后,從Flash區(qū)讀取數(shù)據(jù)上報速率和氣泵電機轉(zhuǎn)速信息并進行初始化。

3.3 消息隊列設計

FreeRTOS提供的隊列主要用來完成任務與任務之間、任務與中斷之間的消息傳遞，系統(tǒng)軟件設計了三個消息隊列，分別用來存儲以下內(nèi)容：1) 發(fā)送消息隊列，隊列中的消息需要被通信模塊發(fā)送到服務器端；2) 存儲消息隊列，隊列中的消息需要被存儲到SD卡中；3) 接收消息隊列，隊列中的消息由通信模塊接收，這些消息與吊艙配置相關，如數(shù)據(jù)上報速率修改、氣泵電機轉(zhuǎn)速修改、吊艙編號修改等。

3.4 任務設計

根據(jù)吊艙的功能要求系統(tǒng)軟件建立了8個主要任務：1)初始化主任務：該任務首先初始化EC20通信模塊的上線功能，與服務器建立TCP連接，并將吊艙配置信息和網(wǎng)絡信息存入發(fā)送消息隊列等待通信模塊發(fā)送任務處理;接著創(chuàng)建其他任務，將自身掛起。2)通信模塊接收任務：主要用來接收來自服務器的下發(fā)指令，進行解碼并把不同的報文存入接收消息隊列中，等待吊艙配置任務處理。3)通信模塊發(fā)送任務：從發(fā)送消息隊列中讀取消息，即整合后的尾氣濃度等業(yè)務數(shù)據(jù)，接著根據(jù)服務器接收報文協(xié)議，為業(yè)務數(shù)據(jù)加上固定報文頭部，最后進行發(fā)送。4)SD卡存儲任務：從存儲消息隊列中讀取數(shù)據(jù)，存入SD卡中。5)GPS數(shù)據(jù)采集任務：采集GPS數(shù)據(jù)，包括經(jīng)緯度、海拔高度和時間信息，接著對數(shù)據(jù)進行校驗、解析和提取操作，并將數(shù)據(jù)暫存在結(jié)構(gòu)體內(nèi)等待軟件定時器任務讀取。6)傳感器數(shù)據(jù)采集任務：按照規(guī)定采樣頻率采集溫濕度、CO2和SO2氣體體積分數(shù)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)暫存在結(jié)構(gòu)體內(nèi)等待定時器任務讀取，同時更新采樣速率。7)軟件定時器任務：軟件定時器任務包含兩個定時任務，一個是定時向服務器端發(fā)送心跳指令保持與服務器的連接；另一個是定時讀取GPS數(shù)據(jù)和各傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分別按照發(fā)送消息隊列與存儲消息隊列的數(shù)據(jù)格式整合處理并存入相應隊列中，等待通信模塊發(fā)送任務和SD卡存儲任務處理。8)吊艙配置任務：從接收消息隊列中讀取報文，這些報文可能是設置數(shù)據(jù)上傳頻率、調(diào)整氣泵轉(zhuǎn)速、重啟等命令，根據(jù)提取出的報文類別分別做出相應配置并將配置數(shù)據(jù)寫入到Flash中。

4 系統(tǒng)測試

整機安裝完成后，在實驗室對吊艙的主要功能進行了測試，包括傳感器和GPS數(shù)據(jù)采集測試、數(shù)據(jù)發(fā)送測試以及吊艙配置修改測試，測試驗證了吊艙功能完整性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)測試完成之后，在外高橋碼頭對靠港船只和在航船只開展了實際尾氣排放的檢測實驗，無人機搭載吊艙實際檢測如圖4所示。

圖4 無人機搭載吊艙實際檢測

使用吊艙對多艘船舶進行了實際檢測，其中兩艘船舶的尾氣濃度數(shù)據(jù)如圖5所示，結(jié)合圖中氣體體積分數(shù)變化情況可知，無人機搭載吊艙檢測尾氣的過程是一個不斷進出尾氣羽流的檢測過程，因此會出現(xiàn)多個體積分數(shù)峰值。

圖5 實測SO2與CO2的體積分數(shù)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

本文設計了一種船舶尾氣排放遠程監(jiān)測系統(tǒng)，其結(jié)合無人機具有較高的靈活性，可在工況復雜的尾氣羽流中近距離檢測，使用多個傳感器實時監(jiān)測尾氣濃度數(shù)據(jù)，并通過4 G網(wǎng)絡將尾氣數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務器，便于監(jiān)管人員監(jiān)控船舶的尾氣排放情況。實驗證明：該監(jiān)測系統(tǒng)具有檢測精度高、運行穩(wěn)定和實時性強的特點。