刘春阳，周海峰，李宇飞，边婷婷，刘 涛

(1．集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021；2．福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021；3．金华市质量技术监督检测院，浙江 金华 321000)

基于ZigBee的船舱环境参数监控系统研究

刘春阳1,2，周海峰1,2，李宇飞1,2，边婷婷1,2，刘 涛3

(1．集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021；2．福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021；3．金华市质量技术监督检测院，浙江 金华 321000)

通过 IAR Embedded Workbench软件编译船舱环境采集系统程序，采用单播形式建立底层ZigBee通信网络，环境采集系统MCU采用CC2530芯片，并设计合理的外围电路，实现船舱温湿度及LED光强信息的实时采集。在船舱不同位置布置超声增湿器和PWM无极调光系统，对不符合舱室要求的环境实时调节控制，同时和船舶空调系统对比，通过船舶局域网，把ZigBee采集的信息传送到管理中心，上位机通过LabVIEW进行仿真研究，实时监控船舱的环境动态，通过实验分析，系统可以很好的监控船舱环境，达到理想效果。

ZigBee；温湿度；LED；无线传感；LabVIEW

0 引 言

随着电子技术、信息技术的飞速发展，船舶自动化程度不断提高，传感技术正越来越多的被运用在船舶领域，目前传感技术主要应用在船舶发动机转速、压力以及排放特性等方面的研究，通过在发动机不同位置布置传感器，得到我们期望的数据以进行结构优化。船舶对温度、湿度等环境信息的采集，还是采用传统的有线方式，增加或减少监测节点有很大的局限性，当船舱环境异常时不能做到实时控制，这必然会对船舶的综合性能造成一定影响。根据要求，船上大部分舱室都有空调系统，它是用来保证人员和设备正常工作的重要设备，其运行效果直接影响到船员的工作状态和设备的正常运行，但是船舶空调系统控制复杂，管路分布繁琐，施工困难，本系统和船用空调配合使用，会起到很好的效果。

1 系统构架方案

基于ZigBee无线传感网络的温湿度及LED光强控制系统能无线采集监控同一船舶多个舱室的温度，湿度，光照强度等影响货物和人员生活的环境参数，主要由监控舱室内ZigBee多参数采集控制系统，船舶无线局域网(WiFi)以及上位机LabVIEW监测软件。其中，各个船舱内的ZigBee无线传感网络负责采集船舱的温度，湿度，光照强度环境参数并对参数进行适量调整，船舶无线局域网基于无线路由器构建，为整个系统提供无线通讯网络，各个舱室通过船舶无线局域网把采集到的数据传输到船舶管理处，监控系统通过船舶的无线局域网来实现网络连通，基于LabVIEW的上位机监测软件对所有ZigBee采集系统收集到的数据进行集中监测[1-3]。

根据系统的要求，设计ZigBee温室环境多参数监测控制系统硬件结构，该硬件系统以CC2530芯片为主控制机，外围电路主要包括时钟电路，复位电路，DHT11温湿度采集电路，HA2003光强采集电路，PWM无极调光电路以及超声波增湿电路。ZigBee船舱环境多参数监测控制系统主要实现如下功能：(1)温湿度采集，根据温湿度传感器DHT11的感应控制进行船舱温湿度采集；(2)温湿度控制：根据DHT11采集的数据，超声波增湿模块做出相应调整，以达到最佳温湿度范围；(3)光照度采集，根据光照度传感器HA2003，将光照强度转化为电压值，以此得到舱室内光照强度；(4)光照强度控制，利用PT4115驱动器和继电器等实现船舶舱室内LED的PWM无极调光。

2 ZigBee船舱监控系统设计

2.1ZigBee采集系统设计

系统中，ZigBee采用单播组网方式，在船舱内均匀布置3个ZigBee采集节点，用以采集舱室内的温湿度及光强信息，采集节点采用5号电池供电，根据不同需要可以随意变动位置，有很强的可塑性。ZigBee网络协调器主要负责船舶舱室ZigBee网络的建立以及网络的配置，接收采集节点数据信息，每个舱室配置一个ZigBee协调器节点，如图1所示。

图1 ZigBee网络结构图

实现温湿度采集功能的核心器件为DHT11温湿度传感器，根据系统要求，在船舱内不同区域均匀布置若干个温湿度采集节点，连续收集船舶舱室的温湿度，准确反映出所测舱室环境的温湿度并长时间稳定工作。考虑到采集环境的特殊性，又考虑到传感器模块的大小、成本、测量精度、灵敏度、稳定性等因素，所以选用DHT11数字温湿度传感器进行温湿度采集。

DHT11传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温度传感器技术，传感器包括一个电阻式感湿原件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连。供电电压为3.3～5.5 V DC、输出单总线数字信号、湿度测量范围20%～90%RH，温度测量范围0～50 ℃、湿度测量精度+-5%RH，温度测量精度+-2 ℃、湿度分辨率1%RH，温度分辨率1 ℃。如图2所示DHT11温湿度传感器与CC2530电路连接图。

图2 DHT11温湿度传感器与CC2530电路连接图

在本系统中，采集节点的温湿度信息采集通过连接DHT11 与CC2530的P1_1端口来读取数字信息，DHT11传输一次数据的长度为40b，分为五部分：湿度整数数据8b+湿度小数数据8b+温度整数数据8b+温度小数数据8b+校验和8b。CC2530按照时序读取DHT11的数据时必须把总线拉低大于18 ms，保证DHT11可以接收到初始信号，DHT11接收到开始信号后，会发送一段80微秒的低电平响应信号，CC2530延时等待30微秒后，读取DHT11的响应信号，CC2530可以切换到输入模式或是输出高电平模式，DHT11发送响应后把总线拉高80微秒，准备发送数据，当数据发送完毕后，DHT11拉低CC2530 50微秒，然后CC2530进入空闲状态。CC2530读取DHT11数据流程如图3所示。

图3 DHT11数据流程

光照度传感器选用HA2003光强传感器，其采用先进光电转换模块，将光照强度转化为电压值，再经调理电路将此电压值转换为0～2 V或4～20 mA。其量程为200～200 000 Lux，光谱范围为400～700 nm可见光，广泛应用于各种环境下的实验。光照度采集程序的关键是依据HA2003的控制逻辑采集光照强度对应的电压和电流信号。光强控制系统将按照HA2003反馈的电压和电流值对舱室内的光强做出相应的反馈处理。

2.2控制系统设计

控制系统需要及时对环境状况进行反馈处理，能够及时反馈采集节点收集的温湿度及LED光强信息，同时智能调节温湿度控制器和继电器。终端控制系统主要由超声波增湿模块，ZigBee信息接收模块，PT4115驱动器和继电器等组成。其中ZigBee信息接收模块收集来自采集节点发送的信息；继电器实现对LED开关量的控制；PT4115应用脉冲恒流源驱动技术控制电流脉冲频率和占空比实现LED的PWM无极调光，达到合理照明度。如图4所示为湿度控制系统各模块之间电路连接图。图5所示为LED光强控制系统电路连接图。

图4 湿度控制系统电路连接图

2.3ZigBee转船舶局域网

系统的网络分为两部分，在船舶舱室内ZigBee实现各个传感器到数据采集器的无线传输；各个舱室的数据采集器到PC机之间的通讯连接由船舶局域网WiFi来实现，网络拓扑如图6所示。

图6 船舱监控系统网络拓扑图

WiFi支持两种网络形式：一种是通过AP或无线路由器接入WiFi网络进行通信，另一种是WiFi设备间通过AD-HOC直接相连，实现“点对点”通信。系统选用通过AP 无线路由器接入WiFi网络的方式，实现一对多点的通信。

WiFi通信电路的核心器件为串口转WiFi接口模块HLK-RM04，该器件与ZigBee的串口进行连接。HLK-RM04与ZigBee连接并正确设置参数后，通过ZigBee串口发送的数据会自动通过WiFi接口发送，发送至WiFi接口的数据也会自动发送至ZigBee的串口。WiFi通信电路的详细设计如图7所示。

图7 串口转WiFi电路

在AT模式下，可以通过串口的AT指令对系统的参数做配置：指令格式如下：

at+[command]=[value]

根据不同命令模块将返回不同的返回值。

例：at+remoteip=192.168.11.133 设置远端ip 地址为192.168.11.133。

例：”at+remoteip=？ ”查询远端ip 地址

当HLK-RM04串口转WiFi模块上电后，会搜寻到WiFi信号，按下DEFAULT键6秒后即可。模块通过RS-232连接到电脑上，设置正确的COM口， 比特率，网络模式等，搜索模块即可和ZigBee信息采集器相连，具体如图8所示。

图8 串口转WiFi连接状态

3 人机交互显示界面设计

使用LabVIEW编写终端显示界面，可以直观了解到船舶上各个舱室基本环境信息，有助于管理人员做出正确分析与判断。LabVIEW支持多种通道的通信方式，由于文中WiFi模块和LabVIEW是通过无线相连，所以选用基于LabVIEW的TCP/IP通信连接。

在LabVIEW控制程序中，程序与底层硬件之间的通信是通过WiFi模块的IP地址来实现，在LabVIEW程序面板输入正确的IP地址和端口号，即可进行信号通信。LabVIEW收集到信号后需要对信号进行分解截取，在ZigBee信息采集程序中预先设定温度湿度和光照度的字节长度，当LabVIEW采集到信息并进行强制转换后，LabVIEW创建索引数组，对信号长度进行截取以显示到前面板[7]。

采集的信号通过波形图表、滑动杆和数值三种方式显示出来，并根据各个大棚的不同情况设置温度上下限，湿度上下限，光强上下限。当环境出现异常，LabVIEW会发出报警提示。具体界面如图9所示。

图9 LabVIEW显示界面

4 结束语

文中针对船舶舱室环境不易监控的问题，提出一种基于ZigBee的船舱环境参数监控系统，采用ZigBee和WiFi配合传输的方式，可以灵活改变监控区域，通过LabVIEW实现终端监测功能，通过实验仿真得出较好的效果。系统可以省去人工巡视等繁琐工作，真正做到现代化，智能化。

[1] 朱仲英. 传感网与物联网的进展与趋势[J]. 微型电脑应用, 2010(1): 35-37.

[2] 崔莉, 鞠海玲, 苗 勇, 等. 无线传感网络研究进展[J]. 计算机研究与发展, 2005,42(1): 166-174.

[3] 孟庆斌, 潘 勇. 基于CC2430的分布式无线温度测量系统设计[J]. 电子测量技术, 2009(5): 128-130.

[4] CC253X Users Guide [EB/OL].[2010-06-25]. http:∥focus Manual(JN-RM-2014), Jennic, 2007.

[5] Enery Efficient Wireless Sensor Networks.pdf [EB/OL]. http:∥www.lib.whu.edu.cn/download.

[6] Power Management for CC2530EB.pdf [EB/OL]. www.ti.com/z-stack.

[7] National Instrunments Corporation. LabVIEW Basic I: Introduction Course Manual. 2008.

Environmental Paramenters Monitoring System in Engine Room Based on ZigBee

LIU Chun-yang1,2, ZHOU Hai-feng1,2, LI Yu-fei1,2, BIAN Ting-ting1,2, LIU Tao3

(1. Marine Engineering Institute of Jimei University Xiamen 361021, Fujian Province, China; 2. Provincial Key Laboratory of Naval Architecture & Ocean Engineering, Xiamen 361021, Fujian Province, China; 3. Jinhua Supervising and Testing Institute of Quality and Technology, Jinhua 321000, Zhejiang Province, China)

The cabin environment acquisition system program is compiled by using the IAR embedded workbench software, underlying ZigBee communication network established through the unicast form. The environmental acquisition system MCU using CC2530 chip, and design reasonable peripheral circuit, to achieve real-time acquisition of the cabin temperature and humidity and LED light intensity information. In cabin located ultrasonic humidifier and PWM regulating light system, to regulation and control the cabin environment that does not conform the requirements，contrast with the ship air conditioning system at the same time.The ZigBee transmitted collection information to a management center. Upper computer simulation and real time monitoring control cabin of a dynamic environment by LabVIEW. Through experimental analysis, the system can monitor the cabin environment to achieve the ideal effect.

ZigBee; Temperature and humidity; LED; Wireless sensor；LabVIEW

2015-05-21

2015-06-09

国家自然科学基金(51179074；51309116)；集美大学博士启动金(ZQ2013007)；产学研项目(S13060)

刘春阳(1990.02-)男，河南信阳，硕士研究生，研究方向为船舶与海上装置能源工程。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.07.012

TN915.02

B

1009-3230(2015)07-0040-05