基于物联网的船舶机舱防油污染智能监控系统设计.pdf

第31卷第2 期2023 年6 月广州航海学院学报JOURNAL OF GUANGZHOU MARITIME UNIVERSITYVol.31No.2Jun.2023基于物联网的船舶机舱防油污染智能监控系统设计王必改（福建船政交通职业学院航海学院，福建福州350 0 0 7）摘要：针对船舶人为排放污油造成海洋油污染的现象，利用流量传感器监测污油流向，液位传感器监测各相关污油柜的舱容变化，采用ArduinoUNO作为系统处理单元，应用LoRa无线通讯和物联网技术，设计机舱污油处理智能监控系统，全程监控污油的流向与处理，为航运公司及海事部门监控船上污油处理提供技术支持.同时针对实船污油楚烧任务重、耗时长、燃烧不稳定、工作量大的特点，利用火焰传感器、温度传感器等传感器技术，采用PLC作为系统处理单元，通过物联网技术，设计出一种楚烧炉运行智能监控系统.通过改善楚烧炉的燃烧与加强监控两种手段，确保船上污油的正确处理,杜绝人为排放污油的现象.关键词：船舶；Arduino;LoRa；物联网技术；污油处理中图分类号：TP302由船舶带来的对海洋环境造成污染的物质大体可分为三类：1)生活污染物;2)油类污染物;3）物理污染因子(辐射、噪声等).其中,油类污染物对海洋环境的破坏性尤为严重.海洋船舶油类污染依其形成性质划分为两种：海上船舶事故性油类污染和操作性油类污染.船舶操作性油污染单次的溢油量较小,发生区域分散隐蔽,对环境和生态的影响具有滞后期，损害不明显，难以引起人们的足够重视 2 .随着海上贸易的繁荣,航运船舶的数量迅猛增加,操作性溢油污染的影响越来越严重，尤其是对海洋环境生态造成的危害已经日渐凸显，国际社会对此类污染的关注度也日渐升高，国际海事组织和各国政府也采取了诸多措施来控制此类油污染.但由于船舶在航行时远离陆地，缺乏有效的实时监控，同时，由于实船污油焚烧任务重、耗时长、燃烧不稳定、工作量大，船舶人为排放污油入海的现象仍时有发生,屡禁不止.为了能够及时发现一些船舶将机舱污油直接排放人海的违章操作，本文利用物联网技术设计出一种船舶机舱防油污染智能监收稿日期：2 0 2 3-0 2-12作者简介：王必改（19 7 7 一），男，本科,轮机长，主要从事轮机工程教学与研究文献标志码：A文章编号：10 0 9-8 52 6(2 0 2 3)0 2-0 0 2 8-0 6控系统，以实时监测船舶机舱污油处理情况，减少直至杜绝人为故意违章操作而引起海洋环境污染事故的发生.1物联网技术物联网（Internet ofThings，简称IoT），是指通过信息传感设备，按约定的协议将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能.通俗来讲就是“物物相连的网”.它最早由麻省理工大学提出,随后在世界范围内得到了快速发展，目前已应用到各行各业，如工业现场控制、智慧家居、智能电网、智慧交通、智慧医疗以及智慧农业等，物联网技术也被称为信息科技产业的第三次革命 3。在船舶运输领域，物联网技术和船舶结合在一起,形成了“船联网”充分利用RFID标签、各类传感器、无线通信网络以及全球定位系统等，实现船舶的自动化控制以及运输的全过程监控.这些关键技术在船舶上的运用可以有效提高系统的运作效第2 期率,保障船舶运输安全 4.物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络.其基本体系架构如图1所示，可分为4层，即感知层、网络层、处理层和应用层.应用层智能交通智能电网智慧农业智能工业智能家居智慧医疗业务支撑平台（中间件平台）处理层服务支撑网络管理信息处理信息安全平台平台网络层电信网互联网广电网电网专用网其他网RFID网络传感器网络感知层RFID标签M2M导航定位和读写器终端图1物联网的基本体系架构感知层是物联网的基础，是物理世界和信息世界的衔接层.主要通过各类信息采集设备、执行设备和识别设备，采用多种网络通信技术、信息处理技术等，实现物理空间和信息空间的感知互动，同时实现与承载网络层的接人、交互.网络层主要实现信息的传输和通信，提供广域范围内的应用和服务所需的基础承载传输网络，包括移动通信网、互联网、各行业专网及融合网络等.平台层也称为处理层，负责处理数据，在物联网体系中起承上启下作用，主要将来自感知层的数据进行汇总、处理和分析.目前平台服务提供商主要有谷歌云平台、阿里云、中移物联ONENET、华为云、腾讯云等。应用层主要将物联网技术与行业系统相结合，感知数据处理封装，以服务的方式提供给用户，实现广泛的物物互联的应用解决方案，2系统总体设计根据船舶的实际情况，设计了一种集嵌人式技术、传感器技术、无线通信技术、卫星通信技术等技术于一体的基于物联网技术的船舶机舱防油污染智能监控系统，如图2 所示系统由感知层、网络层、平台层和应用层组成。王必改：基于物联网的船舶机舱防油污染智能监控系统设计液排排污液吸排岸排排污液分烧膛膛烟人出位出水位人出收人出水位平台平台二维码摄像头传感器标签2986浏览器/Android手机云平台（外网/ntermet网络）8白卫星通讯浏览器内网/intranet船舶机舱防油污染智能监控系统楚烧炉运行智能监控系统污油处理智能监控系统水燃炉炉排吸排传器火温温流流传流流流传流流流流流流传感火焰度 度量量感量量量感量量量量量感传传感器焰传传传传传感感感感感感感感器器器器器器分油机焚烧炉污油收集柜排渣柜图2 船舶机舱防油污染智能监控系统2.1感知层的总体设计系统感知层由焚烧炉运行智能监控系统和污油处理智能监控系统组成.2.1.1梦梵烧炉运行智能监控系统（IRIMS)焚烧炉运行智能监控系统，采用2 个光敏电阻作为火焰传感器，分别监测燃烧器和炉膛的燃烧情况及辅助统计运行时间；采用流量传感器统计焚烧炉焚烧的污油量；采用炉膛温度传感器和排烟温度传感器监测炉膛情况，以防炉膛温度过低造成燃烧中断及炉膛温度过高造成炉膛烧塌；采用水分传感器监测油中含水量，以防水分过多造成燃烧不稳定.焚烧炉运行智能监控系统采用PLC控制，通过LoRa无线通讯技术接人上位机.2.1.2污油处理智能监控系统(STIMS)机舱污油系统如图3所示.分油机排渣柜通污油收集柜岸污水污油图3机舱污油系统机舱污油的来源有分油机产生的油渣、油水分离器排放的污油、机舱各接油盘的漏油及机舱日常作业产生的污油等，其中以分油机产生的油渣为主，因此,本系统对分油机排渣柜的液位及流量进/Android手机器传传器器器器器器 器器器污油泵废油柜废油柜楚烧炉器传传传传传传器感感感感感感30行了特别的监控。污油处理智能监控系统采用流量传感器分别监测分油机排渣柜排出量、污油收集柜进出油量及污水排出量、废油柜进出油量及污水排出量、污油泵进排油量和焚烧炉焚烧油量等；通过液位传感器分别监测分油机排渣柜存油量、污油收集柜存油量及废油柜存油量.本监控系统以污油泵为关键节点，通过检测污油泵的运行时间、进出口流量及通岸流量，配合前后各油水柜液位的变化，实时监控机舱污油的流向，防止人为将污油排人海中。2.1.3系统处理单元(SPU)污油处理智能监控系统处理单元(SPU）是系统的核心部分，采用Arduino UNO R3开发板，如图4所示.复位按键串口状态灯(6个PWM输出）CTUSBOUNOATmega16ARBUINOU2代馨8 U216Mhz品振外接电源插口图4ArduinoUNOR3开发板Arduino是意大利依夫雷亚交互设计学院的马西莫班兹教授和他的学生赫尔南多巴拉甘一起开发的一个开源电子原型平台，具有简单易用、灵活便捷、容易上手、价格低廉的特点，它包括多种型号的Arduino控制电路板和专用编程开发软件.Arduino省略了很多繁琐的底层开发，让人们可以快速地开发出智能硬件原型 5.ArduinoUNOR3开发板结构简介如下：1)USB口,用来连接USB线,用于供电和传输数据.2）A T m e g a 16 U 2,U SB接口芯片：16 KB的闪存Flash,512B的静态随机存取存储器SRAM,512B的电可擦除可编程只读存储器EEPROM.3）保险丝，保护电脑的USB端口免遭短路或过电流的损害，可自复位.4)晶振，提供16 MHz的时钟频率.广州航海学院学报5稳压器，为系统提供3.3V的稳定直流电压.6)外接电源插孔,用来接人外部电源（通过AC-DC适配器直接从交流电供电），若同时接人USB和电源，会自动选择电源.7）电源引脚,分别输出3.3V、5V 电压,GND接地，Vin引脚可用于从外部电源为开发板供电.8)模拟量引脚（输人接口,6 个）用来读取模拟量传感器的信号，并将其转换为可由微处理器读取的数字值.9）微控制器，采用爱特梅尔公司（Atmel）的ATmega328P单片机，该单片机采用8 位CPU，16MHz时钟频率,32 KB闪存Flash（其中0.5KB用于引导程序bootloader）,2 K B SR A M,1K B EEP R O M.10)ICSP引脚,Arduino开发板的烧写接口.11)14个数字I/0接口,用于输输出,其中标有“”的6 个可用于脉宽调制PWM输出.14数字口12）串口状态灯TX（发送）和RX（接受），分别在接受和发送数据时闪烁（数字接口处的0 和1号口也有TX和RX).LOGO13)复位按钮,用于重置开发板.ICSP接口2.2网络层的总体设计ATmega网络层采用3层架构：Rola无线传感器网络；328P-AU船舶局域网;Internet网络.以Rola无线传感器网络为系统数据的采集终端.Rola无线传感器网络完成整个系统数据的采集新增OREF电源接口六个模拟口备用端口第31卷和传送.然后通过网关接入船舶局域网，实现数据全船共享，方便船舶人员实时监控.最后利用船上的海事卫星通讯系统接入Internet网络，这样在任何一个有网络的地方，用户都可以通过电脑浏览器或者手机访问服务器，查看船舶的实时数据信息，授权用户还可以根据数据做出判断，对船舶进行实时监控.2.3平台层与应用层的总体设计本系统应用阿里云物联网平台进行平台层与应用层的设计.阿里云物联网平台可为客户提供全托管的企业级实例服务，具有低成本、高可靠、高性能、高安全的优势，无需自建物联网基础设施即可接人各种主流协议的设备。应用阿里云物联网平台IoTStudio开发系统，实现与与嵌人式系统Arduino的动态交互，同时进行Web搭建和App搭建，实现通过电脑端与手机端实时监测船舶机舱污油处理情况的功能.船舶机舱防油污染智能监控系统的功能如图5第2 期所示，主要包括设备管理、监控数据实时显示及预警、监控数据历史记录、用户管理和用户资料管理几大模块.设备管理模块，管理员登录后，可对监控设备和位置编码，进行添加、修改等管理操作；监控数据实时显示及预警模块，展示监控环境实时状态，对异常情况及时进行预警；监控数据历史记录模块，用户可对过往信息进行浏览比较；用户管理模块，管理员登录后对用户进行添加、修改和权限设置等操作；用户资料管理模块，用户对资料进行更新或修改.船舶机舱防油污染智能监控系统监控监数据控设备数实时据管显示历及预理史警记录图5系统功能结构3系统感知层的具体设计3.1总体框架设计在物联网中,感知层的设计是基础和关键.本文设计的船舶机舱防油污染智能监控系统总体框架如图6 所示，感知层主要由焚烧炉运行智能监控系统和污油处理智能监控系统组成.LoRa无线通讯交流量传感器焚烧炉运行智能监控系统温度传感器(PLC)火焰传感器LCD显示模块LCD显示模块污油处理智能监控系统液位传感器(Arduino)流量传感器LoRa无线通讯KL统图6 系统总体框架焚烧炉运行智能监控系统采用PLC控制系统，由于PLC在船舶机舱设备中的应用已经非常成熟，王必改：基于物联网的船舶机舱防油污染智能监控系统设计用用户户资管料理管理船舶机舱防船油舶污局染域平智网能监控系31这里不做详述，由于检测点较多,污油处理智能监控系统使用了4块Arduino开发板，主要负责各传感器信号采集、控制LCD液晶模块及实现LoRa无线通讯等相关功能.其中，0 号板用于监测污油泵的流量，控制LCD液晶模块，并通过LoRa无线通讯模块与上位机进行通信；1号板用于检测污油收集柜的流量与液位；2 号板用于检测废油柜的流量与液位；3号板用于检测分油机排渣柜的流量与液位.3.2Arduino之间串口通讯污油处理智能监控系统采用4块Arduino UNOR3开发板,其中1块为主机,3块为从机,如图7 所示.它们之间采用I2C串口通信协议实现通讯.12C主机1Masterl图7 Arduino之间串口通讯简图ArduinoUNO中使用A4、A 5口作为I2C引脚，其中A4口连接SDA线，A5连接SCL线.3.3沃液位信号采集模块污油处理智能监控系统中有分油机排渣柜、污油收集柜、废油柜等3个液位传感器，用于实时检测各柜的液位,考虑船舶横摇的影响,系统将取6次（可在0 2 0 间进行设定，缺省值为6)最高、最低液位的平均值作为有效检测值，然后通过舱容表计算出各柜的污油容积，并根据容积的前后变化计算出变化量，最后结合泵的流量判断污油的流向.3.4沃流量信号采集模块物应联用网平台台SDASCL12C12C从机1从机2SlaverlSlaver2系统中有分油机排渣柜的排出流量传感器，污油收集柜、废油柜的排人、排出流量传感器，污水流量传感器，污油泵的排人、排出流量传感器，岸收流量传感器及焚烧炉的流量传感器等，通过各流量传感器检测每次污油操作的流量，结合各柜的舱容变化判断污油的流向.每次通过流量检测得到的污油量与各舱容变化量要能相互对应，误差超过3%或5L(取高值）发出警报，超过6%或10 L(取高值)则数据上传到云端并保存3年，同时任意30 天内累计误差不得超过5%或50 0 L（取高值）.12C从机3Slaver3323.5LoRa无线通讯模块LoRa是Long Range 的简称,意思是长距离通信，作为LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频调制技术（C SS:C h i r p Sp r e a d Sp e c t r u m）的超远距离无线传输方案.LoRa是一种非授权频谱的低功耗广域网(LPWAN,Low Power Wide Area Network）无线物联网技术.与Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等现有的其他无线物联网技术相比,LoRa技术具有远距离、低功耗、低成本、广覆盖、易部署、抗干扰等优点 6 .本系统采用LoRa SX1278模块，Arduino UNO与LoRa连接的电路如图8 所示.LoRa模块有16 个引脚,每侧8 个.其中6 个(DIO0 D I O 5)由 GPIO引脚使用,4个由接地引脚使用.该模块工作在3.3V，因此LoRa上的3.3V引脚连接到ArduinoUNO板上的3.3V引脚.将LoRa上的SPI引脚连接到ArduinoBoard上的SPI引脚,如图8 所示.OUNOirdudna图8 LoRa模块接线图3.6系统程序设计污油处理智能监控系统的软件系统采用ArduinoIDE软件进行开发.软件设计主要包括参数设定及显示模块、液位信号采集模块、流量信号模块和LoRa通讯模块等子模块的程序设计.系统首先通过上电自检并进行系统初始化与LCD12864液晶初始化界面显示，然后进行系统的参数设定，输人船舶吃水差、液位采样次数、污油处理量误差报广州航海学院学报警值等参数.系统初次缺省值为船舶吃水差0、液位采样次数6 次、污油处理量误差报警值为3%或5升（取高值）.系统将保存并下次开机后自动调用该设定值.确认后，界面显示“准备完毕”.当按下“开始”键后，系统进人监测状态.4结语本文结合船舶实际设计了一种船舶机舱防油污染智能监控系统，通过物联网技术将数据实时传送到用户端，满足航运公司及海事监管部门对船舶机舱防油污染进行实时监控的需求，具有安全、可靠、实时、便捷等优点.系统信号传输采用LoRa无线通讯技术，具有远距离、低功耗、低成本、广覆盖、易部署、抗干扰等优点，便于传感器的灵活布置及后期的更换.采用的Arduino嵌人式技术，具有工作可靠、简单易用、灵活便捷、容易上手、价格低廉等优点采用的阿里云物联网平台为目前国内最为成熟的物联网平台之一，可为客户提供全托管服务，这样可保证系统安全可靠稳定运行.开发与应用本系统,可确保正确处理船上污油，杜绝人为排放污油的现象，最大程度地减少船舶对海洋环境的污染，从而使船舶航行更绿色，海洋环境更清洁参考文献：1王红涛.船舶对海洋环境的污染及其防治措施 J.科技视界，2013(33):331.332.2陈家金.船舶操作性油污染的来源及其对策 J.天津航海，2007(02):51 53.3季顺宁.物联网技术概论 M.北京：机械工业出版社，2 0 2 2.4潘晓贝，郭志冬.基于物联网的船舶排污智能监测系统研究J.舰船科学技术,2 0 17（18）：17 5-17 7.5陈纪钦，谢智阳，周旭华，等.单片机控制技术-基于Arduino平台的项目式教程 M.北京：机械工业出版社，2 0 2 3.6房华，彭力.NB-IoT/LoRa窄带物联网技术 M.北京：机械工业出版社,2 0 2 3.第31卷第2 期王必改：基于物联网的船舶机舱防油污染智能监控系统设计33Design of Intelligent Monitoring System for Oil Pollution Prevention inMarine Engine Room Based on Internet of ThingsWANG Bi-gai(School of Navigation,Fujian Chuanzheng Communications College,Fuzhou Fujian 350007,China)Abstract:In view of the phenomenon of marine oil pollution caused by man-made discharge of slop oil from ships,there are still problems.The flow sensor is used to monitor the flow direction of slop oil,and the liquid level sensoris used to monitor the change of the tank capacity of each relevant slop oil tank.Arduino UNO is used as the systemprocessing unit,LoRa wireless communication is applied,and the intelligent monitoring system for slop oil treatmentin the engine room is designed through the Internet of Things technology,to monitor the treatment of waste oil in thewhole process,providing technical support for shipping companies and maritime departments to monitor the waste oiltreatment on board.At the same time,aiming at the characteristics of heavy task,long time consuming,unstablecombustion and large workload of waste oil incineration on board,The sensor technologies such as fire sensor,temperature sensor are used,and PLC is used as the system processing unit,Through the Internet of Thingstechnology,an intelligent monitoring system for the operation of incinerator is designed.By improving thecombustion of incinerator and strengthening the monitoring,the correct treatment of waste oil on board can beensured,and the phenomenon of man-made discharge of waste oil can be eliminatedKey words:Ship;Arduino;LoRa;Internet of Things technology;Waste oil treatment(上接第2 7 页）Research on Radio Wave Propagation Characteristics of Steel ShipCommunication System Based on LoRaWANG Yu-guo,ZHENG Qi-qing(The Institute of Transportation and Navigation,Quanzhou Normal University,Quanzhou Fujian 362000,China)Abstract:In order to improve the communication quality of ship communication system,the radio propagationcharacteristics of steel ship communication system based on LoRa are studied.According to radio propagationmechanism,radio propagation equation is established based on LoRa to obtain radio propagation delay;Bycalculating the radio propagation loss,master the law of radio propagation,and get the received power path loss ofradio propagation,changes with distance,and energy distribution.The experimental analysis of radio propagationcharacteristics shows that the loss index of radio propagation is inversely proportional to the height of thetransmitting antenna and directly proportional to the frequency.When the receiving antenna is in the center of theship corridor,the path loss is less;In the scene of steel ship corridor with turning part,the average value of radiopropagation delay is 38.45 ns,and the average value of root mean square delay is 1.89 ns.The distance betweenreceiving and transmitting antennas has little impact on the root mean square delay.Key words:LoRa;Steel ship;Communication system;Radio wave propagation mechanism;Radio wave propagationcharacteristics;Path loss