船舱温度监测系统的设计与实现

引 言

随着我国国力的不断提升，人们愈加重视各种交通、运输工具等的安全性，对交通工具中装备的可靠性、稳定性要求更加严格 [1]。船舶作为海上有效的运输工具，其安全性、舒适性得到人们的广泛关注。为保证乘客和有温度要求货物的环境温度，需要随时了解和监控船舱内温度变化情况。舰船内温度监控系统也从简单到复杂、从人工监控记录向自动化发展，其智能化程度与准确度越来越高[2-6]。但因为风浪、天气等客观原因，一般情况下舰船工作环境恶劣。为提高舰船内信号采集的高可靠性和连续不间断的工作要求，许多测控装备常常需要采取措施，并进行数字化传输[7]。在此所设计的温度监控系统采用冗余设计，传感器负责收集各种信息，之后进行表决，使数据采集在相对恶劣甚至传感器部分失效的情况下，数据采集仍然可靠有效，实现对船舱内温度的实时性和高可靠性监控。

1 系统架构

船舱温度监测系统主要由多个数据采集节点单元和主控机单元组成。主控机可以采用通用的PC 或服务器以提供更丰富的控制功能并提升可靠性。主控机采用通信接口与连接在总线上的各监测节点通信，负责对整个系统中分布于各舱的检测节点进行监控，发送控制命令和参数配置信息，并接收来自各节点的状态信息和测量数据，监视船舱环境参数。数据采集节点控制单元主要由传感器、表决器、单元主控制模块和通信单元组成。数据采集节点控制单元通过参数传感器实时采集船舱中的主要温度信息，经表决器获得可靠数据，再交由单元主控器处理信号，由通信单元生成协议报文，并经由总线将数据发送到主控机，同时接收主控机的控制命令和参数配置信息，并及时给予反馈。系统总体结构如图 1 所示。

系统所有数据采集控制单元通过总线与主控机相连，对监控对象实现信息采集。工业传感器有较强的抗干扰能力和可靠性[4]，但由于机舱环境极为恶劣，作业期间维修困难，一旦出现故障很难及时修复，所以对监控系统的可靠性要求很高，故采取冗余设计。数据采集单元将相同功能的传感器设计为 3 个，每次对采集到的数据进行表决，一个设备有问题不会影响整体采集结果。由此可见，冗余保证了系统工作的连续性、稳定性。

2 系统硬件设计

2.1 传感器模块

数据采集节点选择 DS18B20 作为温度传感器，具有可实现高精度控温、转换速度快、具有极强的抗干扰纠错能力等特点，该传感器首先采集周围环境的温度信息，然后把它们存储在自己的内存中。由单元主控器进行数据采集、处理和采集点显示等。DS18B20 将温度采集后转换成输出的 16 位二进制数，存储在DS18B20 的两个 8 位的RAM 中。二进制数的前5 位是符号位，如果温控量的温度不小于 0，那么这 5 位为 0，然后将得到的二进制数值乘以 0.062 5 就可得到温控量的实际温度；反之，若温度小于 0，那么这 5 位为 1，然后将得到的数值取反加 1 再乘以 0.062 5 就可得到温控量的实际温度。选用数字温度传感器DS18B20，省去了采样 / 保持电路、运放、数/ 模转换电路以及进行长距离传输时的串/ 并转换电路，从而简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。数据采集节点结构如图 2 所示。

2.2 温度采集模块的可靠性计算

温度采集的可靠性是温度监测控制系统的工作基础 [7]。单个数据采集的传感器模块在某一时刻之前正常工作的故障率 λ（t）和可靠度 R（t）计算如下：

3 软件设计

系统程序主要包括主程序、数据采集子程序等。

3.1 主程序流程图

主程序对整个系统进行控制。启动后，首先对系统初始化， 根据系统参数设置各采集单元，之后开始不间断扫描各节点数据信息，将采集到的数据存入数据库中，并进行状态判断，如遇不正常情况，则采取相应温度控制措施，如加温和降温等。之后对历史数据进行分析，预判温度变化趋势，为决策提供依据。其程序流程如图 3 所示。

3.2 数据采集程序流程图

在数据采集节点主程序中，由嵌入式系统控制整个电路， DS18B20 进行温度采集，并且通过嵌入式系统在液晶显示器上显示温度。当温度达到指定温度时将数据传入嵌入式系统内进行处理。DS18B20 的读时序开始在总线上传送1 或 0。若DS18B20 发送1，则保持总线为高电平；若发送 0，则拉低总线。DS18B20 发出的数据在读时序下降沿起始后的 15 μs 内有效， 因此主机在读时序开始后的 15 μs 内释放总线。

4 实验测试

为了测试设计的系统工作情况及性能，需要进行实验验证分析。采用AMD Athlon（tm）X4 CPU，内存为 8 GB，在Windows7 操作系统上进行，数据库为 MySQL。

通过测试分析，实测温度数据见表 1 所列，温度实测误差平均在 0.4 ～0.5℃之间，因此，软件较正值设为 0.4℃。

经仿真和实物测试，历史数据存储于数据库中可追溯分析，数据采集可靠连续，实时工作满足设计要求。数据采集节点实物如图 4 所示。

图 4 数据采集节点实物图 

5 结 语

本文设计的可靠的温度监测系统为恶劣环境提供了一种 采集、监控现场温度的有效方案。可以利用监控软件实时监 测温度，也可以现场监测，并能根据记录的历史温度数据进行 有效分析和合理判断，从而有效节省了人力资源，适用于需要 长时间监测现场环境或环境恶劣的场所。此外，系统可以更 换不同的传感器来测量其他环境参数，如测湿度、有毒气体等， 具有一定的通用性。