船舶机舱监测报警系统整体架构需求介绍

船舶机舱监测报警系统整体架构需求介绍
船舶机舱监测报警系统按从基础底部向上的方式来看，它主要有三大部分，而这三部分都是基于Web船载服务器，他们可以分为采集层主要负责采集船舶内数据参数、传输层主要为机舱数据的构建和监测船舶数据与标准值不同而实现报警。

Kongsberg公司所推出的双CAN总线式全分布网络系统架构具有普遍的通用结构，是现在市场上稳定可靠的监测报警系统适用于船舶，而它的三层式网络结构可分为:管理层一控制层一设备层，在本论文中报警监测系统的整体结构是以B/S系统网络为核心构架，它的整体结构为:传感层一传输层一应用层。

（1）系统数据采集层(传感网)
当船舶开始修造的过程中，船舶各舱室中各传感器应该同时运行，例如CPU 主板、GPS定位系统、LED显示系统和各舱室设备中的各类别传感器同时同刻进行工作，这些一个个的传感器构成了船舶机舱的“神经节点”，负责机舱各监测点的数据采集，构成数据采集层(传感网)。

由于传感器的种类过于繁杂，传感器的系统物联网可将这些传感器组成一个个小组，以组为单位对传感器所获得的单位划分不同的区域进行传递输送，例如可以将系统中检测氧气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等浓度的传感器数据收集接进放入到一个节点。

这样可以使整个网络结构更加清晰明了，具有层次的美感。

（2）系统数据传输层
传感器完成数据采集后，接下来的主要工作是将已经收获采集的数据及时的传送出去，此时为了保证数据传输的高效性，采用无线传输和有线传输一起进行传输的解决方案。

有线传输主要用RS485,RS232,以及CAN总线为主，在系统的无线传送输出中更多的采用WiFi和以LoRa机制为主要基础的无线数据收集传感器节点为最为重要的部分。

当实时数据输入传送到有线与无线共同组成的传输网络中时，将会迅速对信息进行解析处理，然后将处理过的数据按周期经由最先传输到TCP/IP，从而传进船舱总数据信息库服务器中保存起来，而后被送入具有服务器的功能层，再经由功能层传入Web层服务器，如果修造人员进行操作，发出请求，则Web服务器开始从之前的数据信息库服务器中读入取出数据。

系统的数据枢纽无疑是对信息进行传递输送的传输层，它把系统中的感知层和应用
层架起桥梁连接了起来，使数据及时高效的传送到船舱的各个部分，同时也将数据传送到服务器端口，是其他部分所无法代替的工作。

而有线系统其中一部分还是与LoRa无线传输技术相结合，这样就减少了实体布线，是系统更加灵活，同时又节省了空间和费用，适配性也变得更高，可用于新旧船厂共同使用。

[]（3）系统应用层
系统的应用层主要用于对实时数据进行处理判断，而这一切是在Web船载服务器的基础上，维修人员可以通过总控制监控室终端设备，对整个船舱进行监测报警。

同时可以在Web浏览器上，对各船舱环境的状态进行反馈判定，这些主要在B/S网络结构上进行。

总体方案设计
机舱数据采集层(传感网)的搭建
本机舱监测报警系统的研发首先考虑得是如何获取底层机舱数据，将数据从传感器采集、传输、协议转换到数据库入库，这一过程从传感器、CAN总线、LoRa节点终端到多协议船用数据采集网关，每一个都是机舱数据采集层(传感网)中的重要环节。

系统的机舱数据采集层(传感网)的成功搭建与不断完善才能促使Web系统的功能得以呈现，是整个系统的基础所在。

（1）船舶机舱中各传感器
船舶底层众多数据多数以船舶机舱数据为主，一般千吨级的船舶机舱就集中了上千个左右的底层传感器数据，主要作用分类为温度传感器、压力传感器、转速传感器、液位传感器、涡轮流量计、电力仪表。

从船舶自动化项目系统角度来看，多数也集中于机舱内，主要包括船舶主机、推进设备及控制系统、发电机、电站、舵机、消防设备和油水处理设备等。

(2)机舱数据传输通讯方式
于Web船载服务器的机舱监测与报警系统中，有效的数据通讯方式为系统提供数据支撑是非常关键的，尤其是对于监测报警系统。

数据传输通讯方式主要分为两大类:有线传输和无线传输。

本系统中机舱数据传输通讯方式可利用物联网无线通讯方式作为传统有线传输的补充，针对机舱中一些需要扩展的监测点或者是现有的旧船改造。

在数据采集层中有线传输可利用RS485,RS232或者是在工业领域得到广泛
应用的CAN总线通信技术进行实施，借鉴成熟机舱监测报警系统的中的有线传输方式，将数据采集并直接传送到多协议船用数据采集网关，为数据采集层中实时、可靠的数据通信提供基础且强有力的支持。

而在物联网无线通讯技术中，对比应用广泛的Wi-Fi、蓝牙、GPRS,NFC等短距离传输且不适用与复杂环境下的无线通讯技术，本系统采用更加合理的低功耗广域网通信技术(LoRa机制)作为机舱数据有线传输的补充。

（3）多协议船用数据采集网关
多协议船用数据采集网关为本实验室自主研发，在应用在船舶环境下也会充分考虑到船级社的具体相关要求，满足国家通讯协议标准。

采集网关的设计研发主要功能是对有线CRS485,RS232,CAN)或无线(LoRa)传输过来的数据进行实时采集，并对其中多种协议数据进行解析处理，再通过TCP江P通讯传输到Web 服务器的数据库中。

其具体硬件结构设计的介绍也可见下面硬件设计章节[]。

Web船载服务器的构建
系统Web船载服务器的构建为两级架构，而非只是一层Web服务器层或者数据服务器层，同时两者之间还布有防火墙，用户访问的是Web服务器上的应用程序，不能直接访问用于储存数据的数据库服务器。

用户对于系统数据的请求调用则是通过Web服务器实现对数据库服务器的访问。

Web服务器即是网站服务器，建立在Internet上，可以向客户端浏览器提供文档和相关服务，客户端只要是具有遵循HTTP协议的浏览器都可以应用。

其服务器的工作原理分为四个步骤:连接过程一请求过程一应答过程一关闭连接,ash。

服务器与客户端(浏览器)如上图式互动，本质在于接收数据、HTTP解析、逻辑处理、HTTP封包以及数据的发送。

虽然Web服务器主要的功能是静态文件的提供，但对于本系统需要对机舱中的数据进行实时监测，所以服务器与浏览器之间的数据交互也是关键。

Web服务器是主要为短连接，其从采集器获得的实时数据到达浏览器之中的是不变静态的，所以本系统要实现Web页面上实时数据的动态是通过以下方法实现的:
(1)用户GET请求一个JavaScript文件，服务端不做任何运算返回该静态文件。

浏览器收到该JS文件，在本地执行并更新页面。

(2)用户POST提交数据到服务端，服务端根据该提交的数据指令返回静态文件，浏览器收到后执行并更新。

(3)在服务端程序中设置实时数据的请求上传周期，每隔固定时间将处理过机舱数据呈送给浏览器页面进行显示。

系统数据采集与传输的硬件设计
多协议船用数据采集网关
网关简介
本系统研发中船舶机舱各系统运行参数的数据采集工作是最基础和重要的一部分，设计研发的船用数据采集网关适用于RS485,RS232,CAN,TCP/IP以及无线LoRa等多种传输协议数据，能够很好的符合船舶机舱中传感器的多样性与复杂性。

在船舶数据采集与传输的无线部分中，基于无线LoRa机制的采集前置节点的功能实现只是机舱底层数据传送到船载Web服务器这数据库一过程中的第一步，而本网关主板设计中包括的无线LoRa数据接收模块能够实时接收到发送节点所传输的无线数据。

另一方面，面对机舱数据的多协议解析转换并要进行轻重缓急传输，网关更要具备数据梳理和分析能力。

所以，本系统中对于其底层中多协议数据的采集、协议转换以及初步梳理解析工作将由多协议船用数据采集网关来完成。

数据采集网关电路主板的设计在完成其对机舱数据采集处理的同时也要充分考虑到船舶上的环境影响，船舶工作环境往往都是极其复杂的，特别是一些远洋船舶。

不仅要面对海洋上易潮湿、易腐蚀等外界因素，还要有一定强的抗干扰能力去应对在航行过程造成得摇晃和船舶上多设备同时运行所产生得电磁和噪音。

所以，网关基站的设计和构建要同时具备可靠性、准确性、安全性、标准化和通用性这几大基本原则。

所以选用S TM32F 103 VET6作为CPU主控芯片，其他相关模块包括电源电路、FLASH储存模块、串口通讯模块、无线LoRa数据接收模块、以太网通信模块和扩展接口。

其中电源模块将DC12V输入电压降压稳压为3.3V输出，主控CPU芯片通过串行接口模块与LoRa数据接收模块以有线或无线的方式采集到机舱中多协议数据。

之后，由CPU对这些数据进行协议整合和处理，将采集到的原始机舱数据和经过协议整合过的解析数据分别储存到FLASH储存模块，最后采集器通过以太网通信模块将初步解析过的数据直接上传到船载Web服务器数据库中进行进一步的分析处理。

CPU模块
根据本系统中船舶机舱数据的复杂性，以及要考虑到多协议采集的功能需求和网络通讯要求，本设计需要一款处理性能强、使用广泛易操作、兼容性强、性价比相对较高且可嵌入实时操作的芯片。

综合各方面考量后，采集器的设计选用ST公司自主研发生产的S TM32F 103 VET6作为微控制芯片。

ST公司是上世纪末由意大利S GS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成的一家意法半导体公司。

其公司不仅是业内众所周知的半导体最大产商之一，而且在片上系统产品方面也一直在不断投入研发，在嵌入式开发应用领域研发出的STM32系列微控制芯片，便同时具有高性能、低成本、低功耗的特点。

从S TM32F 103 VET6字面上我们能知道以下信息:
1)STM32:表示是基于ARM的32内核微处理器;
2)字母“F":代表芯片类型为通用版本;
3)数字“103”:表示该芯片为子系列增强型;
4)字母“V":代表芯片管角具有100个;
5)字母“E”:表示这内置FLASH储存空间大小为512K;
6)字母“T”:代表封装类型，LQFP封装;
7)数字“6”:表示工作温度范围，工业级-40'C~+105°C。

CPU模块中除了微控制主芯片外，还包括这两个外接时钟振荡电路，其中晶振分别为32.768KHz和8MKz，以及复位电路。

芯片引脚部分与以太网通信模块W5500连接，部分与串口通讯模块连接，空置引脚连接扩展接口以便一些后续拓展应用。

以太网通信模块
本设计中以太网通信模块的主要任务是将CPU中处理过得机舱数据直接通过网线传输到船载Web服务器的数据库中，从而达到对机舱中各系统运行参数的监测与之后的数据报警作用。

针对本系统研发，选用W5500芯片作为以太网通信模块主芯片，此芯片是由韩国WIZnet公司研发生产的全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器。

W5500以通讯速率高效、较高性价比、高稳定性和低能耗著称，能够快捷、稳定为CPU微控制模块提供以太网连接功能，并且其在很多嵌入式应用中受到开发者的广泛青睐。

W5500具体所具有的芯片特性有以下几点:
1)工作电压3.3V,工业级工作温度40 0C+1 OS 0C;
2)支持8个独立端口(Socket)同时通信，且各自通讯效率彼此不影响;
3)提供传输速率升级的新型SPI协议，效率更高，有利于实现实时数据监测报警;
4)网络唤醒模式以及掉电模式的选择利于减少系统能耗;
5)有内置32K字节的片上缓存供TCP/IP包处理;
基于无线LoRa机制的数据采集前置节点
前置节点简介
在系统数据采集传输中加入无线采集传输功能，不仅能够丰富传统机舱中的数据采集传输方式，而且对于现今许多旧船机舱的改造和补充具有以下重要意义:
1.成本低:有线通信需架设电缆、挖掘电缆沟及线缆损坏率，而无线通信节省了大量人力物力，节约成本;
2.施工周期短:针对船舶上复杂的应用环境，有线网络的布线工程复杂困难，而无线传输只需节点一基站一服务器一云的物联网架构，施工周期短;
3.灵活性和扩展性高:有线网络易受布线格局和预留端口的限制，而无线网络的使用不必受空间和端口数量的影响，船员在船上局域网区域覆盖范围内都能监测数据
4.可靠性较强:船舶有线传输中途经多个转换节点才能实现数据传输，而无线传输中采集节点与数据网关间直接进行点对点的数据传输，可靠程度较强。

节点电路设计
本系统研发的前置节点内置电路板整体电路原理图如图2-4所示，针对船舶底层传感器数据的采集以及数据发送工作，电路中包括CPU主芯片、LoRa通信模块、串行接口通讯模块、电源稳压模块、天线模块等。

其中CPU主芯片通过串行接口通讯模块连接底层各种传感器，串口通讯模块通过++3.3V低功耗半双工RS-485收发器SP3485从而满足RS485串行协议的要求;LoRa通信模块将传感器数据通过433M铜棒天线进行无线传输;外接电源则通过正向低压降稳压器AMS1117将SV的输入电压降为3.3V进行输出。

电路板中各个模块充分发挥各自的特性，电源供电、AMS1117正向低压降
稳器、串口通讯模块SP3485、微控制模块STC15W408AS,LoRa模块(Ra-O1)、天线IPEX和指示灯LED相互连接合作实现LoRa数据采集发送节点终端的功能。