基于物联网技术的舰船内部真空排污监测系统.pdf

第45卷第19 期2023年10 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.19Oct.,2023基于物联网技术的舰船内部真空排污监测系统郭文俊，杨泽民（山西大同大学计算机与网络工程学院，山西大同0 37 0 0 9）摘要：舰船内部真空排污系统是舰船后勤系统的重要组成部分，其稳定可靠的工作对保障部队作战能力具有重要作用。本文提出一种基于物联网技术的真空排污监测系统，分析其结构，设计其整体架构，重点介绍了无线传感网络节点中液位数据的采集和测试，阐述了基于Zigbee无线网络的数据传输，并分析了无线传感节点识别和时间同步实现的基本方法。本文设计的系统具有较高的可靠性和稳定性。关键词：物联网；真空排污；Zigbee；无线传感网络中图分类号：TP212.9文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)19-0 193-0 4Vacuum sewage monitoring system inside ships based on iot technology(School of Computer and Network Engineering,Shanxi Datong University,Datong 037009,China)Abstract:The vacuum sewage system inside the ship is an important part of the ships logistics system,and the stableand reliable work of the vacuum sewage system plays an important role in ensuring the combat capability of the troops.Thispaper proposes a vacuum sewage monitoring system based on Internet of Things technology,analyzes the structure of vacu-um sewage system,designs the overall architecture of vacuum sewage monitoring system,focuses on the collection and test-ing of liquid level data in wireless sensor network nodes,expounds the data transmission based on Zigbee wireless network,and analyzes the basic methods of wireless sensor node identification and time synchronization.The system designed in thisarticle has high reliability and stability.Key words:internet of things;vacuum blowdown;Zigbee;wireless sensor network0引言舰船海上作战不仅是对武器和人员的考验，同时也是对整个舰船后勤支持系统的考验。船员在海上生活的时间较长，因而会不断产生生活污水，这些污水的处理会给舰船人员的作战和生活带来一定影响。传统的排污系统主要是利用管道将污水排出，但是会存在消耗淡水过多且有很大气味残留的问题，因而目前舰船上都是使用真空排污系统。相对于普通排污系统，使用真空排污系统能够节约用水且管道铺设灵活，因而这些排污管道不会制约舰船的结构设计。舰船内部真空排污系统包括污水收集模块、排污管道网络、真空泵站以及外围控制系统，其主要原理是通过排污管道内外的压力差将污物自动吸人到排污收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 0基金项目：山西大同大学青年科研基金（2 0 2 0 Q1）作者简介：郭文俊（19 8 6-），男，硕士，讲师，研究方向为网络信息安全、区块链技术及物联网。文献标识码：Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.19.037GUO Wen-jun,YANG Ze-min管道中。真空泵站是真空排污系统的关键组成部分，负责维持排污管道的真空度，舰船真空排污系统的正常工作则依赖于真空泵站和排污管道，因而需要在舰船上设置真空排污监测系统，通过对排污管道网络内部压强、真空泵站工作状态等参数进行采集，从而判断整个真空排污系统是否正常工作。近年来，国内外有很多学者对舰船真空排污系统的设计做了诸多研究。严巾堪等提出一种在船舶上使用的推拉式真空集便器，于健等2 设计了一种真空排污分类系统，范顺治3 将物联网技术应用到舰船的真空排污系统中。这些研究都将为舰船真空排污系统的完善提供有效辅助，但是目前对舰船内部真空排污系统的监控工作仍然有极大的改进空间，且国内研究较少，因而本文将结合物联网技术和无线网络通信技194 术来构建真空排污监控系统，使舰船真空排污系统在出现异常时能够被及时发现并通知船员及时加以处理，有效提升舰船的后勤能力。1舰船真空排污监测系统设计1.1真空排污系统结构舰船真空排污系统结构如图1所示。真空泵开始工作时会使排污管道中产生较低的压强，通常为35kPa，这个压强和外界大气压会存在压强差，当不同舱室的坐便器中产生污物时，就可以通过这个负压将污物通过排污管道吸人到污物处理罐中。排污管道真空泵生活舱室坐便器生活舱室坐便器生活舱室子坐便器自来水管道废气排放一区阀门污物排放区阀门图1舰船真空排污系统结构Fig.1Structure of the ships vacuum sewage system舰船真空排污系统可以有效解决舰船上生活污物所产生的异味，这主要得益于真空泵不断吸入大量空气，使整个系统维持负压，同时通过对阀门的控制，不断将废气排出。通过对舰船真空排污系统结构分析可以得知，真空排污系统需要依靠对阀门进行控制以实现对废气以及污物的排放，这些阀门控制进气、出气、污物的管道排放、自来水的通人和排出等，因而真空排污监测系统需要获取这些参数，并对其他相关辅助参数加以测量，最终集成到真空排污监测系统中。1.2真空排污监测系统设计物联网技术是通过射频技术、传感器技术、扫描器等将所有物体连接到一个网络中。在真空排污监测系统中，由于舱室分布在舰船的不同部位，因而对不同舱室中真空坐便器的阀门控制、排污管道的阀门参数采集、压强采集等存在较大难度。如果采用有线方式进行采集，在舱室中的物品发生变动时则需要不断变化线路，这就给后期维护和维修造成较大困难，同时由于在真空排污系统中需要监测的参数较多，在铺舰船科学技术设线缆时也会存在较大难度4-5。为了有效解决这一问题，充分利用物联网技术，设计真空排污监测系统的整体结构，如图2 所示。岸基通信控制中心舰船真空排污监测中心Zigbee无线通信人无线传感节点1模拟量：温度、压力、压强、液位数字量：阀门开关、按钮、指示灯图2 基于物联网技术的真空排污监控系统Fig.2 Vacuum sewage monitoring system based oninternet of things technology自来水管道1）无线传感节点排污管道无线传感节点是真空排污监测系统的重要组成，它可以对模拟量和数字量进行采集，数字量包括各类自来水管道压力排放排污管道污物处理罐第45卷无线传感节点2无线传感节点N阀门开关、可控按钮以及指示灯的状态，模拟量包括排污管道中的压强、污物处理罐中的压力、温度等。这些参数在通过不同的无线传感节点采集完成后，可以通过Zigbee无线通信传输到舰船真空排污监控中心。无线传感节点使用ARM作为核心控制元件，配置有高效的锂电池作为供能元件，无线传感节点功耗较低，除采集参数外，其他时间均处于休眠状态。2）舰船真空排污监测中心舰船真空排污监测中心负责将Zigbee无线网络获取的传感节点数据进行转换和存储，为了最大程度减小工作量，在监测中心的监控软件中设置有真空排污系统所有参数的正确数值或者范围，一旦获取的参数出现异常时，系统会自动对出现异常的数据进行基本判断。由于传感器在采集模拟量时经常会受到环境干扰，特别是舰船在海上航行时环境较为恶劣，剧烈颠簸、炮火打击等都可能会对传感器采集数值产生影响。为了减少因为误报而对监测系统产生不利影响，设置标准处置流程：在监测到某一数值异常后，系统会优先发送参数采集指令，连续采集2 0 次，每隔1s采集一次，如果采集2 0 次的数据仍然异常，则系统发出警报。舰船真空排污监测中心是真空排污系统的有效补充，其实现的功能主要包括：监测并存储数据。真空排污系统的废气和废水处理和排放目前难度较大，在舰船建造期间对真空排污系统进行测试，并对采集的数据进行监测和保存，将对真空排污系统的改进起到极为重要的作用。第45卷历史数据图表。舰船污水、异味会带来极大隐患，因而在舰船真空排污系统出现故障时需要第一时间对历史数据进行排查，这样有利于快速找到故障节点，以图表的形式展现出来可以提升工作效率。3）岸基通信控制中心岸基通信控制中心是为舰船提供作战、指挥、后勤补给的中心，这就要求岸基通信控制中心能够实时了解当前舰船的所有航信状态、位置等，而对于内部排污控制系统而言，岸基控制中心拥有超强的计算能力和数据处理能力，将所有的监控数据通过无线网络发送到岸基控制中心，将有助于提升舰船的作战能力。同时由于卫星部署的数量不断增多，数据传输速率也会不断增长，当前监控的模拟量和数字量字节数较少，对数据传输速率以及实时性的要求还不是特别高。未来会将现场监控的视频数据、音频数据等也作为重要的监控数据，其数据量将会大大增加，加上舰船的其他作战数据、位置数据等，这些都需要强大的无线传输网络才能实现。2系统详细设计2.1无线传感数据采集的实现在舰船内部真空排污监测系统中，对数字量和模拟量的采集至关重要，这些参数的准确性将直接关系到系统的稳定运行。数字量的采集较为简单，而模拟量的采集则复杂很多，特别是在航行的恶劣环境中对液位、压强、温度等参数进行采集。一个基本的无线传感节点结构如图3所示，包括了传感器模块、处理器模块、无线通信模块以及能量供应模块6-刀。以液位采集为例说明无线传感数据采集的实现过程。液位主要是针对污物存储罐中的液位进行判断，以此来判断污物是否已经超过设定的阈值，并判断系统是否在稳定工作。电容式液位计通过检测液面高度变化时引起的电容变化来测得当前的液位高度，其基本原理如图4所示。电容式液位计在使用时需要进行标定和测量，使传感器模块处理器模块处理器传感AC/DC器图3无线传感节点结构Fig.3Wireless sensing node structure郭文俊，等：基于物联网技术的舰船内部真空排污监测系统2030405060 70高度/cm图5电容式液位计测试结果Fig.5 Capacitive level gauge test results2.2舰船Zigbee网络传输实现当完成传感数据的测量后，选择Zigbee网络来实现所有数据的传输。Zigbee网络是基于IEEE802.15.4协议，适用于短距离的数据传输，传输距离在2 0 0 m内，但是通过改进天线材质和形状，最大可以将通信距离提升到接近10 0 0 m。对于大型舰船而言，在不考无线通信模块虑改进天线的情况下，需要布置很多Zigbee中继网络节点，以保证不同舱室、污物存储罐的数据采集和传输。Zigbee网络最大支持节点数量为6 5535，考虑到舰船网络MAC收发器存储器能量供应模块195高液位报警容值C1电容液面高度变化传感器一低液位报警容值C2图4电容式液位计检测原理Fig.4Capacitive level gauge detection principle得电容值和污物存储罐的真实液面高度对应起来。在搭建好外围电路后对选择的电容式液位计进行测量，得到如图5所示结果。可以发现，在液面高度很低时存在较大误差，但当液面高度超过15cm后，实际高度和电容值存在近似线性关系，通过在ARM中编写程序即可实现对液面高度的测量。1.400上120010008006004002000010上还有其他无线网络传感节点使用需求，构建的Zigbee网络能够满足舰船的使用需求。图6 为Zigbee无线网络架构。对于传感数据的传输主要依靠应用层来加以实现，其中无线传感节点定位是为了实现对不同传感节点的识别以及位置判定，由于无线传感节点数量较多，因而在同一时间内会有很多节点同时和中继装置进行通信，本文采用2 种方196应用层传输层！QoS物理层红外线图6 Zigbee无线网络架构Fig.6Zigbeewireless network architecture法来对不同的无线传感节点进行判定。1）传感节点标识。通过在ARM中编程，对不同的无线传感节点定制不同的通信协议，如FFFFXXXX000000SUM，其中XX用来标记不同位置的传感节点，SUM为数据求和，中继装置在收到数据之后就可以判断出每一个无线传感节点。2）时间顿分时控制。在中继装置中进行编程设置，通过控制不同传感节点和中继装置的通信时间，这样也可以对无线传感节点进行识别。无线传感节点的判定对数据传输至关重要，同时通过以上2 种措施也可以在很大程度上避免不同无线传感节点之间的通信干扰问题，特别是当构建的Zig-bee网络中节点数量过多时，就需要不断调整时钟分配，并将一些无效的无线网络节点排除在无线通信之外，以提升数据传输效率和稳定性。时间同步是实现稳定数据传输的关键，一般通过对无线传感网络节点进行时钟分发来实现，舰船上一般都配置有GPS同步时钟或者北斗同步时钟，此时钟为当前的标准时间，同时还可以提供标准秒脉冲，无线传感网络节点通过接收同步秒脉冲可以实现时间的同步。无线传感网络节点完成时间同步后，就可以将采集的数据和当前的时间作为一个标准数据集合，真空排污监控中心和无线传感网络节点的时钟保持高度同步。在Zigbee无线网络中，网络服务接口负责提供和应用软件的接口，这样就可以通过编写程序来实现对无线网络中数据的读取和写入，为数据的存储和实现提供基础。3结语本文提出的基于物联网技术的舰船内部真空排污监测系统具有较高的可靠性和稳定性。结论主要包括：舰船科学技术1）真空排污监测系统必须同时实现对所有舱室以网络服务接口及污物存储罐的监测，同时还需要将监测到的数据传无线传感节点定位GPS/北斗时间同步传输控制安全路由控制信道接入无线电第45卷输到监控中心，使用Zigbee无线网络架构可以实现数据的安全稳定传输。2）对传感节点的识别和标定可以有效提升Zig-bee无线网络的稳定性，同时也可以避免不同无线网络传感节点造成的数据传输冲突。3）电容式液位计可以对污物存储罐的液面进行有效测量，在超过15cm以后，其电容值和液面高度呈现近似线性关系。参考文献：1】严巾堪，赵斌，李鹏，等.推拉式真空集便器在船舶上的应用.船海工程,2 0 2 0,49(5):8 6-8 8.YAN Jin-kan,ZHAO Bin,LI Peng,et al.Application of push-pull vacuum toilet collector on shipsJ,Ship and Ocean Engi-neering,2020,49(5):86-88.2于健，吴晓睿，董克用，等.船舶真空排污系统分类及自主设计.机械管理开发,2 0 15,30(7)：55-56+12 1.YU Jian,WU Xiao-rui,DONG Ke-yong,et al.Classificationand independent design 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