基于ZigBee电力推进船舶电气设备温度监测系统

洪茜

（渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛 125005）

0 引言

电力推进船舶具有推进效率高、操纵性能强、安全可靠等优点[1]。但电力推进船舶的变压器、变频器、高压配电板等电气设备大多工作在高压、大电流的环境下，加之船舶工作环境复杂，电气设备的连接很容易由于灰尘等原因出现接触电阻过大进而引起发热的现象。若不及时发现过热部位并进行处理，最终可能导致突发断电甚至发生火灾。然而，若用电缆直接进行温度监测既不能实现高压和监测系统的隔离又难于布线。因此，本文选用 ZigBee无线网络技术实现电力推进船舶的电气设备温度监测。该系统利用高精度的数字温度传感器，通过无线网络将各设备监测点的温度发送到监控计算机。这样既实现了高精度的测温，又实现了高压和低压的隔离。

1 ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种应用于短距离范围内、低数据传输速率下的各种电子设备之间的无线通信技术，拥有一套完整的协议层次结构，由IEEE802.15.4和ZigBee联盟共同制定完成[2]。工作频段有868 MHz，915 MHz，2.4 GHz，可以应用于不同的场合，主要适合于自动控制和远程控制领域。ZigBee网络包括主节点、路由节点、子节点。主节点连接上位机，用于建立网络，处理各子节点及路由节点发送的信息，相当于有线网络中的服务器；路由节点的作用是扩展网络深度与广度；子节点与传感器连接，作用是采集信号并传输，主要散布在现场中。

2 系统总体结构设计

温度监测系统主要负责将电力推进船舶主要电气设备的温度采集至现场数据节点，然后现场数据节点通过无线将数据发送到主节点，主节点将数据送到上位机显示。温度监测系统框图如图1所示。系统主要由温度传感器节点、ZigBee终端设备、ZigBee路由设备、ZigBee协调器、RS485通信单元和上位机监测系统组成。其中路由器和RS485通信单元只负责数据的传输。因此，系统整体上可分为数据采集层、数据汇聚层、数据监控层三大部分。

数据采集层主要是由布设在监测点的数字温度传感器、ZigBee终端设备、以及电源模块构成，其主要功能是完成对监测点温度的采集，并对采集到的温度数据在CPU中进行判断，若符合发送的条件，采集层就会发送该温度数据。反之，则立刻进入休眠状态以实现节能，等待下次采集时间的到来。

图1 温度测量系统框图

数据汇聚层由ZigBee的协调器组成，主要负责将数据采集层直接送来或者通过路由器路由来的数据暂时保存，等待上位机进行访问。上位机成功访问数据后，该数据将在数据汇聚单元中清除。另外，数据汇聚层还负责对其所管辖的ZigBee网络进行维护，接收上位机的命令信息并更改网络的参数。数据监控层的主要功能是将数据汇聚层送来的数据进行显示和存储。同时，还提供参数设置接口，可对整个系统进行参数设置。

3 系统硬件设计

3.1 ZigBee主节点的硬件设计

ZigBee主节点又称为协调器，是数据采集层的数据汇聚者，也是上位机发送命令的传递者。其主要功能是负责其所在区域内无线网络的组建和维护[3]。本设计选择 CC2430芯片作为主节点的 CPU，该芯片集成了加强型的 8051内核以及符合 IEEE802.15.4规范的 2.4 GHz的无线收发器、可选32/64/128 kB的Flash存储单元、 8 kB的 RAM、模拟/数字转换器、看门狗定时器、上掉电检测电路以及21个可编程 I/O引脚。TI公司为CC2430芯片提供完全免费的协议栈，使得程序的设计更加方便。本设计为了增加主节点的数据存储和处理功能，选用带 128 kB Flash的CC2430-F128芯片。主节点硬件结构框图如图 2所示。

图2 主节点硬件结构图

CC2430的晶振有两个：一个是32 M晶振，在正常收发数据时使用；一个是32.768 k的晶振，在休眠模式下使用。RS485通信模块作为上位机和ZigBee主节点的连接纽带。

3.2 ZigBee从节点的硬件设计

ZigBee从节点主要是由安装在监测点的数字温度传感器（DS18B20）、ZigBee终端（CC2430）、电源模块、晶振电路和无线射频天线构成，其主要功能是完成对监测点的温度采集，CC2430将采集到的温度信号分析处理之后通过天线发送到主节点。温度采集子节点硬件结构框图如图3所示。

温度采集子节点采用 DS18B20传感器，DS18B20支持单总线接口[4]（即一条数据线上可以接多个设备），测量温度范围为-55- 125℃，测量的温度直接以数字量的形式通过单总线发送到CPU，具有抗干扰能力强、体积小、精度高、能耗低等优点。

CC2430芯片所需要的电源供电范围是2～3.6 V，采用电池供电。但DS18B20供电电压是5 V，在3 V供电的状态下误差大，为尽可能的提高传感器的转换精度，系统采用升压电路给DS18B20供电。以保证传感器的转换精度。晶振电路和无线射频天线的硬件结构与主节点基本相同。

4 软件设计

由于 ZigBee的协议栈已经将物理层、MAC层、网络层和应用层的部分程序编写完毕，因此，只需要按照协议栈的工作方式编写相关的应用程序。

4.1 数据汇聚主节点软件设计

数据汇聚主节点的软件主要是收集传感器节点发来的数据和传送上位机发来的命令。主节点在上电后，首先是按照ZigBee协议栈的工作流程，组建ZigBee网络。网络组建完成后，则执行应用程序。数据汇聚主节点软件流程图如图4所示。

应用程序首先进行初始化和相关通信参数的设置。然后检测主节点的供电方式，若是备用电源，向管理人员报警；否则正常执行程序。当主节点收到数据时，先判断该数据来自串口（上位机）还是来自传感器节点。若是来自串口，则进入命令处理子程序对数据进行分析和处理；若来自传感器节点，则进入温度数据处理子程序进行处理，更新温度存储区域的数据。处理完之后，程序回到等待接收数据和检测电源供电状态位置，不断地进行检测和等待，直到下一个数据处理的过程。

4.2 数据采集子节点软件设计

数据采集子节点软件流程图如图5所示。数据采集子节点主要负责将监测点的温度采集至CPU，然后在温度变化率超过一定范围时，将其无线传送至主节点。数据采集子节点上电后，首先搜索 ZigBee网络，若搜索到网络并成功加入后，就开始执行应用程序。

应用程序首先进行数据采集子节点的初始化、清除休眠的标志，传感器DS18B20开始采集温度。为了避免较大误差，温度采集将进行N次（N值根据环境确定），最后取平均值。然后和上次温度的平均值进行比较，若比较的结果大于设定的值，则本次温度数据将发送给主节点；否则不发送，并令传感器节点进入休眠状态，以实现最大限度的节能。在休眠时间到后，重复上面的过程。另外，在采集温度时，通过温度传感器的复位或地址匹配来判断是否发生故障。

4.3 监控软件及监控界面设计

上位机的监测界面是利用NI的LabVIEW测控软件开发的[5]。利用该软件开发的界面具有简洁、美观的特点，且能够直观的将各个监测点的信息显示在管理人员眼前。在LabVIEW上设计的上位机监测界面是利用 LabVIEW 中的ACTIVE控件来调用MSCOMM控件实现上位机与主节点间的通信的。在RS485总线上的主节点，将数据发送给上位机显示处理。船舶高压配电板监测界面如图6所示。

5 结束语

本设计针对电力推进船舶的实际情况，以船舶中各主要电气设备的温度监测为研究对象。提出了一种基于ZigBee技术的温度监测系统，其特点是在不便于布线的场合可以实现温度的定量测量以及实现温度数据的无线低功耗传输，大大提高了船舶电气设备的运行可靠性。但是，电气设备的温度监测只是船舶监测系统的一部分，要真正将 ZigBee无线网络技术全面应用于船上的各种设备，全面提升船舶的自动化程度，还需要设计并研制更多的适用于船舶的传感器节点。

[1] 栗胜利. 船舶电力推进技术的发展[J]. 船电技术.2009, 29 （4）: 46- 49.

[2] 赵洪磊,王英龙. 无线传感器网络热点问题的研究[J].信息技术与信息化.2008, （2） :50-52.

[3] 梁光胜, 刘丹娟. 基于 CC2430的ZigBee无线节点设计[J].电子设计工程.2010, 18（2）: 15-18.

[4] 孙鹏. DS18B20单线多点测温系统设计[J].电子制作.2010, 3:24-28.

[5] 张桐等. 精通 Labview程序设计[M].北京:电子工业出版社, 2008.