基于敏感测温点的浮标舱温监测系统设计

2014-04-23齐勇刘世萱苗斌张可可郑珊珊张继明林航张友权刘建军

山东科学 2014年3期

齐勇，刘世萱，苗斌，张可可，郑珊珊，张继明，林航，张友权，刘建军

(1.山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛 266001;2.福建省海洋预报台，福建福州 350003;3.海洋石油工程(青岛)有限公司，山东青岛 266555)

目前，在我国沿海海域服役的大型海洋浮标已将近200套，而且正在呈现快速增长的趋势［1－2］。随着浮标网建设的扩展和海上运输、捕捞活动日益频繁，经常发生浮标被撞、被盗等事故，以及由此造成的浮标体进水、电源短路以及设备烧毁等现象。实时掌握舱温变化是保障浮标安全运行的重要技术之一，国内外对该技术的相关研究较少。目前一般都采用粗略单点测温的方法，该方法适用于小型浮标或者只有一个舱室的浮标，无法实时、准确地监测大型浮标不同舱室的温度。以我国FZF3－1型大浮标［3－4］为例，除了仪器舱以外，还有电池舱、桅杆筒和3个浮力舱，所有舱室机箱均为密封设计。其中，电池舱内放置有多组蓄电池，仪器舱内有配电机箱和采集机箱、通讯机箱等仪器设备。由于受到太阳辐射、冰雪覆盖、海浪侵袭以及设备发热等影响，浮标体同一舱室内不同部位的温度并不相同，而不同舱室、不同机箱内温度差异可能更大。一旦浮标被撞，发生透水、设备短路等事故，将造成局部温度的剧烈变化，传统的单点测温方法无法及时、准确地发现上述问题。因此，本文设计了一种基于敏感测温点的浮标舱遇监测系统，可以实现对大型浮标体内不同位置的温度进行实时监测，而且结构简洁美观、运行稳定可靠、易于安装维护。

图1 系统结构示意图Fig.1 Illustration of system structure

1 浮标舱温监测系统设计

1.1 工作原理

本文设计的浮标舱温监测系统基于网络化实时监测的设计思想，将温度探头布设在大浮标内的多个敏感测温点上，组成测温网络，实现了浮标舱温由单点监测到网络监测的转换。为使浮标测温系统的网络拓扑结构简洁，选用了具有单总线特性［5－10］和寄生电源供电技术［11］的温度传感器。在每个测温点布设一枚温度传感器，用一条电缆将浮标内所有温度传感器串联在一起，构成单总线测温链，将其挂接到浮标采集系统的核心单元MCU上。这种设计的优点是结构简洁、美观，安装方便。系统结构示意图见图1。

图1中电源模块负责为系统供电，MCU为系统核心单元微控制器。1到N为温度传感器，将其埋设在大浮标各个舱室内的敏感测温点处。敏感测温点选择浮标内部温度敏感或关键区域，如通气孔、配电机箱、采集机箱、通讯机箱内部，浮标舱门以及舱盖附近等。为加强对浮标电源的安全性监测，给每一组蓄电池设置一个测温点。MCU采集到的温度数据，进行编报、存储，通过通讯模块发送到浮标岸站。

1.2 工作流程

图2 系统工作流程图Fig.2 The system flow chart

温度传感器在布设之前需要设置测温高温限TH和低温限TL，进行测温时由微控制器依次向各测温点发送温度采集命令。温度传感器收到命令自动开始温度转换，并将转换结果通过单总线传送到微控制器进行处理。当某个测温点的温度超限，立即发送报警信号。MCU检测到报警信号后，判断温度异常测温点，同时再读取一次所有传感器的温度［12－14］，确定故障后向浮标岸站发送报警信息。造成故障报警的原因有两个:一是温度传感器故障，二是极端天气或事故导致数据超限。对于高温限TH和低温限TL，根据浮标环境信息动态设定，使之处于一个动态的合理范围，出现异常温度及时报警，方便对浮标测温网络进行监控。岸站收到有效数据后，还要将同时刻的所有测温点数据进行比对，如果发现某个测温点数据明显异常，则进行定位提示，便于管理人员及早发现和及时处理。系统工作流程图见图2。

2 系统框图

本文设计的系统框图如图3所示，CPU作为核心控制器。T1～Tn为n个温度传感器，通过单总线分别布设于浮标内设定的敏感测温点。寄生电源与CPU和单总线连接，负责给总线供电。系统电源负责给整个舱温监测系统供电，CPU对舱温进行采集计算后，先将结果保存到外部存储器中，然后通过通讯设备传输到岸站。

3 实验数据

将本文设计的舱温监测系统安装于某大浮标上，进行海试。分别在浮力舱、电池仓、仪器舱和桅杆筒内的温度敏感点布设温度传感器，其中电池仓测温点位于蓄电池组附近。浮力舱1、浮力舱2、浮力舱3分别表示3个浮力舱。正常情况下，每一个测温点的温度变化趋势一致，但温度值会有±2℃左右的差异，并且这个差异随时间变化。但在突发电池短路、浮标体透水等事故时，局部舱温将发生骤变，抓住这个温度骤变过程可以有效地进行事故原因研判和过程分析反演。图4为该浮标接收到的某事故时段的温度数据。

由数据分析可知，事故发生当日22:10，位于浮标电池组附近的敏感测温点的温度从－2.5℃上升到2.6℃，10min之内升高了 5.1℃。22:30，温度降到－0.1 ℃。22:40，温度降到－1.5 ℃，22:50降到－2.4℃，此后逐渐恢复正常水平。分析这一温度突变的过程，判断很可能是浮标遭到大船撞击，小平台受损，部分太阳能板全部或部分脱落，导致电池组短路，引起电源缆发热熔化，甚至可能发生蓄电池爆炸。结合浮标的其他数据进行联合研判，进一步支持了上述结论。后经调查，该浮标于当日夜间22:00遭到万吨货轮撞击，传感器系统和电源系统均遭严重破坏。电池组发生短路，多节电池爆裂，电源缆烧毁，电池舱壁有烟熏痕迹。事故发生后浮标自动切换备用电源继续工作，岸站继续接收部分正常数据。

本次实验数据为事故处理工作提供了证据，同时，也证明了对浮标舱温进行网络化监测的研究意义和应用价值。如果使用传统的单点测温系统将无法实时监测到本次事故，更无法对异常测温点进行准确定位。

图3 舱温检测系统框图Fig.3 Block diagram of tank temperature monitoring system

图4 某大型浮标舱温数据Fig.4 Tank temperature data of a large－scale buoy

4 结论

基于敏感测温点的浮标舱温监测系统，通过在大浮标各个舱室内设定一系列敏感测温点，能够全面监测浮标的舱温信息，实现对多种事故早发现、早应对。与传统的单点定位测温方式相比，该设计既可以得到更为丰富精细的温度数据，又可以方便地组成简单、可靠、低成本、高精度的测温网络［15］，因此在大型浮标舱温测量领域具有显著的优势。

本文是对网络化舱温监测的一次尝试，在测温点的布设、传感器封装、测温网的密度和采集频率等方面还需要进一步的研究。后续工作将对每一节蓄电池进行定位跟踪监测，使浮标电源系统的监测更加精确。另外还计划在该系统的基础上，将测温网络扩展到浮标的气温和水温监测，形成一套独立完整的网络化浮标水气舱温测系统。

［1］李民，盛岩峰，袁新，等.国内大型海洋水文气象资料浮标的现状及发展方向［J］.气象水文海洋仪器，2002(2):1－4.

［2］楮同金，曹恒永，王军成，等.中国海洋资料浮标［M］.北京:海洋出版社，2001:1－15.

［3］赵力，刘勇，范秀涛.FZF3－1 型海洋智能信息浮标系统的研制［J］.山东科学，2005，18(5):64 －66.

［4］卜照蓬，刘岩.FZF3－1 型海洋资料浮标系统［J］.海洋技术，2003，22(2):59 －61.

［5］Alldatasheet.DALLAS DS1820 数据手册［EB/OL］.［2013 － 04 － 12］.http://cn.alldatasheet.com/datasheet－pdf/DS1820.html.

［6］高玉芹.基于AVR微控制器和DS1820的多点温度测量系统［J］.仪表技术，2005(3):15－18.

［7］吕丙东.单总线技术在现场测温系统中的应用［J］.电脑开发与应用，2012，25(4):29－31.

［8］李晓阳，姜培刚，邬法磊，等.基于单总线协议的温度监测系统［J］.工业控制计算机，2012，25(3):97－98.

［9］廖琪梅，韩彬，杨文昭，等.基于单总线器件DS1820的温度测量仪［J］.国外电子元器件2008(2):25－27.

［10］贾振国.DS1820及其高精度温度测量的实现［J］.电子技术应用，2000(1):58－59.

［11］魏雅.基于AT89S52微控制器红外遥控温度控制系统设计［J］.陕西理工学院学报，2012，28(3):32－36.