基于无线传感器网络的船舶机舱环境监控系统.pdf

本发明所述的一种基于无线传感器网络的船舶机舱环境监测控制系统，其特征在于，包括无线传感器网络、无线通信模块和远近程监控系统。所述节点和簇头节点包含有传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块。所述汇聚节点包含有处理器模块、无线通信模块和电源模块，汇聚节点通过无线通信方式与传感器节点建立通信联系，向传感器节点接收和发送数据，汇聚节点通过串口和网络接口与现场控制中心和远程监控系统建立连接，向监控系统发送和接收数据。无线网络中簇头节点的选取根据节点的剩余能量及成员节点到簇头的距离来确定，降低了无线网络的能耗。本发明实现了对船舶机舱的自动监控，节省了人力物力，能减少机舱意外事件造成的损失。

1.  一种基于无线传感器网络的船舶机舱环境监控系统，包括无线传感器网络、无线通信模块、现场控制中心和远程监测控制系统。分布在船舶机舱各处的各类传感器节点和汇聚节点组成无线传感器网络。无线传感器网络包括i个传感器节点、m个簇头节点及n个汇聚节点，所述i、m、n均为自然数。所述节点和簇头节点包含有传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块。所述汇聚节点包含有处理器模块、无线通信模块和电源模块，汇聚节点具有较强的计算能力和存储能力，汇聚节点通过无线通信方式与传感器节点建立通信联系，向传感器节点接收和发送数据。汇聚节点配置有USB接口和10/100MHz ETHERNET接口，可以通过USB接口和现场控制中心相连接，也可以通过ETHERNET接口和网络相连接，与现场控制中心和远程监控系统建立连接，发送和接收数据。

2.  根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的船舶机舱环境监控系统，其特征在于：所述监控系统传感器包括温度传感器、烟雾传感器、湿度传感器、火焰传感器、压力传感器及机舱积水传感器中的一种或多种。

3.  根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的船舱机舱环境监控系统，其特征在于：所述传感器节点处理器模块信息采集控制器为微处理器LM3S811，所述基站采用的控制器为微处理器LM3S9B96，无线通信模块采用的通信集成器件为射频收发器CC2420。

4.  根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的船舶机舱环境监控系统，其特征在于：所述无线传感器网络采用LEACH-C路由协议，LEACH-C路由协议是一种分层路由协议，由LEACH改进而来。在簇的建立阶段，所有节点均将自己的能量和位置信息发送到汇聚节点，根据计算出的能量，挑选结果值(一种和剩余能量有关的计算值)大于阀值的节点为簇头的候选节点。根据所有成员节点到簇头的距离平方和最小的原则，运用模拟退火算法，选择簇头及分簇方案，使整个网络的能量消耗尽可能为最小。簇头节点通过改进的STDMA时分复用机制为每个所属的节点分配时隙用于数据的传送，在非时隙内处于休眠状态。每个簇采用不同的CDMA代码进行通信来减少相邻簇内节点的干扰，传感器节点将采集的数据传送到簇头节点。簇头节点对簇中所有节点进行管理，对节点所采集的数据进行信息融合后再传送给汇聚节点，再经无线通信传送到船舶控制中心，船舶控制中心通过互联网络与远程监测控制系统建立连接，向远程监控平台接收和发送数据。监测控制系统由PC机、服务器、船舶机舱环境参数库和报警控制系统构成，当获得的数据与库中数据进行对比出现异常时触发报警装置，提醒工作人员注意，以便采取必要的人工或自动控制措施。

基于无线传感器网络的船舶机舱环境监控系统
技术领域
本发明涉及一种环境监控系统，尤其涉及基于无线传感器网络的船舶机舱环境监测控制系统。
背景技术
随着世界贸易的不断发展，水上航运业也处于持续发展中，作为航运支撑的造船技术正朝着高度自动化、集成化、模块化、计算机化方向发展。中国造船业经过几十年的发展，现在已经成为世界造船第一大国。大型船舶的机舱内安装有各种动力设备和控制设备等，船舶机舱内的设备及环境的安全运行是保证船舶安全的一个非常重要的方面。
无线传感器网络集中了传感器技术、嵌入式计算技术和无线通信技术，能够实时的感知、收集和监测各种环境下的状态感知参数，通过对各种状态感知信息参数的协作式数据处理，获取感知对象的准确状况信息，可以实时监测到机舱内出现的温度过高、烟雾、火灾、漏水及设备异常运行状态，进而作出智能判断，防止对船舶及船员产生的重大危害，为船舶设备的安全稳定运行提供重要的保障，因而对船舶机舱的监控有着实用又广泛的应用前景。
发明内容
本发明目的：本发明旨在提出一种便于实时监测船舶机舱环境的无线传感器网络监测控制系统，监测机舱内的温度、烟雾、湿度、积水、火灾及主要设备运行等信息参数，发现异常状态，及时报警并进行相应的智能处理，消除机舱异常情况对船舶及人员的危害。
技术方案：本发明所述的一种基于无线传感器网络的船舶机舱环境监测控制系统，其特征在于，包括无线传感器网络、无线通信模块和远近程监测控制系统，无线传感器网络包括i个传感器节点、m个簇头节点及n个汇聚节点，所述i、m、n均为自然数。所述节点和簇头节点包含有传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块。所述汇聚节点包含有处理器模块、无线通信模块和电源模块，汇聚节点具有较强的计算能力和存储能力，汇聚节点通过无线通信方式与传感器节点建立通信联系，向传感器节点接收和发送数据，汇聚节点配置有USB接口和10/100MHz ETHERNET接口，可以通过USB接口和现场控制中心相连接，也可以通过ETHERNET接口和网络相连接，与船舶现场控制中心和远程监控系统建立连接，发送和接收 数据。
无线传感器网络采用LEACH-C路由协议，无线网络中簇头节点的选取根据节点的剩余能量及成员节点到簇头的距离来确定，降低了无线网络的能耗。
有益效果：本发明实现了对船舶机舱环境的自动监测，节省了一定的人力物力的开销，提高了对船舶机舱的监控水平。无线传感器节点的设计，实现对船舶机舱环境多种参数的实时监测，传感器节点将监测的数据传送给汇聚节点，通过无线通信模块传送到船舶控制中心，再通过互联网络传送到远程监测控制系统。可以实时的监测并控制机舱的环境状态，对异常数据做出警示反应，以便及时采取措施应对机舱的异常情况，可以在较大的程度上减少因机舱的意外事件造成的对整个船舶损伤及对船上人员造成的伤害，而这种损伤常常是非常严重的。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明传感器节点的结构框图；
图3是本发明路由协议流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于无线传感器网络的船舶机舱环境监控系统，包括无线传感器网络、无线通信模块、现场控制中心和远程监测控制系统。分布在船舶机舱各处的各类传感器节点和汇聚节点组成无线传感器网络。无线传感器网络包括i个传感器节点、m个簇头节点及n个汇聚节点，所述i、m、n均为自然数。所述节点和簇头节点包含有传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块。所述汇聚节点包含有处理器模块、无线通信模块和电源模块，汇聚节点通过无线通信方式与传感器节点建立通信联系，向传感器节点接收和发送数据。汇聚节点配置有USB接口和10/100MHz ETHERNET接口，可以通过USB接口和船舶现场控制中心相连接，也可以通过ETHERNET接口和网络相连接，与船舶现场控制中心和远程监控系统建立连接，发送和接收数据。
如图2所示，传感器节点设置有处理器模块、传感器模块、无线通信模块和电源模块，传感器节点的处理器模块分别与传感器节点的传感器模块、无线通讯模块和电源模块相连，控制其它各个模块工作。汇聚节点设置有处理器模块、无线通信模块和电源模块，其处理器 模块分别与汇聚节点无线通信模块和汇聚节点电源模块相连。为了尽可能减少网络通信及节点的能量消耗，延长电池电源使用时间，无线传感器网络采用LEACH-C路由协议。
传感器节点包括安装在船舶机舱环境内的温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、积水传感器、噪声传感器及可燃气体传感器等，用于监测机舱内的各种环境参数。处理器模块是传感器节点的核心模块，根据设定的程序和接收到的指令，对采样数据进行智能分析和处理。传感器模块分别与处理器模块、电源模块相连。用于采样机舱环境的各项数据，并将采样数据发送给处理器模块。
如图3所示，无线传感器网络采用LEACH-C路由协议，LEACH路由协议是一种分层路由协议，LEACH-C由LEACH改进而来，它对LEACH的改进主要体现在两方面，首先是簇头的选取不再是随机的选取，而是根据全局信息挑选簇头，这样可以有效解决簇头不稳定及分布不均的问题。第二方面是簇头和汇聚节点的通信，不再是选用单跳方式，而是选择多跳的方式，这样就可以避免作为簇头的节点由于长距离通信造成能量消耗过大。
在簇的建立阶段，所有节点均将自己的相关信息发送到汇聚节点，通过能量阀值的计算，只有当节点的结果值(一种和剩余能量有关的计算值)大于阀值时，此节点才是簇头的候选节点。根据所有成员节点到簇头的距离平方和最小的原则，运用模拟退火算法，选择簇头及分簇方案，然后汇聚节点把簇头集合和簇的结构进行广播，使每个节点都知道自己是否成为簇头以及应该加入哪个簇，使整个网络的能量消耗尽可能为最小。簇头节点对簇内节点进行管理并且要进行数据融合。簇头节点通过改进的STDMA时分复用机制为每个所属的节点分配时隙用于数据的传送，在非时隙内处于休眠状态，减少了节点能量消耗，减少了簇内干扰。
在数据传输阶段中，传感器节点将采集的数据传送到簇头节点。簇头节点对簇中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送给汇聚节点。每个簇采用不同的CDMA代码进行通信来减少相邻簇内节点的干扰，当一节点决定成为簇头时，它从一系列的扩频码中选择一种，在它的簇内使用，从而减少了相邻簇间的干扰。
汇聚节点通过无线通信方式与传感器节点建立通讯连接，向传感器节点接收和发送数据，传感器节点通过无线通讯模块接收汇聚节点发送的控制命令，并将控制命令交由处理器模块分析和处理；传感器节点通过无线通讯模块将采样的各项环境参数，发送至簇头节点，簇头节点通过单跳方式将监测数据传输到汇聚节点。汇聚节点通过无线通信模块，连接到现场控制中心，现场控制中心通过互联网络与远程监测控制系统建立连接，向远程监控平台接收和发送数据。监测控制系统由PC机、船舶机舱环境参数库和报警控制系统构成，在PC机上安装有用C语言编写的监控程序。系统将远程采样的数据进行分析处理，以图形化界面显示 出来，并且将数据进行备份，当刚获得的数据与库中数据进行对比出现异常时触发报警装置，提醒工作人员注意，以便采取必要的控制措施。
一个远程监测控制系统可以负责多条船舶多个机舱的监测控制，每个机舱监测区域设置一个汇聚节点，传感器节点将采集的数据通过LEACH-C路由协议将数据送达汇聚节点，汇聚节点通过简单的数据处理再将有效数据及时的通过无线通信模块发送给船舶控制中心，船舶控制中心再将数据传送到远程监控系统，船舶控制中心及远程系统便可以监测到所需要的机舱的各项数据。本发明能有效的克服传统的机舱监测方法的缺点，实现对机舱环境的实时有效监控，将机舱环境的各项参数控制在良好的状况，及时发现各项机舱环境参数的变化，在出现状态异常时，及时采取措施解除危险状况，避免机舱事故对船舶造成的损害和对船上人员造成的损伤。