基于物联网的船舶电力设备状态监测系统∗

王 雷 丁伯才 张 琪 周 纯 李爱军

（武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064）

1 引言

随着海上船舶电力的发展，运行在船舶上的电力设备呈现种类多样化，功能丰富化，数量极剧增长的趋势，为了提高电力系统的可靠性，对这些船舶电力设备进行有效的监测和管理是十分重要的。传统的船舶电气监控系统通常采集部分都采用有线传输，具有布线复杂、后期扩展性差的特点，且计算方式单一，对设备的状态分析缺乏有效的仿真以及分析手段。利用物联网技术，采取分布式处理，能有效减少线缆数目，对监控数据进行合理的逻辑划分，提高系统的效率［1～2］。

本文在研究物联网技术的技术上，运用无线传感器，Zigbee通信技术、大数据技术构建了船舶电力设备状态监测系统，并给出了实现方式。

2 船舶电力设备状态监测系统模型

2.1 系统总体框架设计

针对目前船舶电力设备全寿命周期管理需求以及传统船舶电力监控方式存在的布线复杂、维护成本高、更新复杂等问题，设计了一种结合物联网技术、传感器技术、无线通信技术、云计算、大数据等技术于一体的以船舶内服务器为监控中心，以陆地服务器为数据处理以及云计算仿真模拟的船舶电力设备状态监测系统，系统总体框架如图1所示。本系统基于B/S（浏览器/服务器）模式，其中浏览器以及服务器采用了冗余设计，不仅船舶内网与陆上外网内采取冗余设计，同时陆上与船舶也互为备份。

图1 总体框架图

2.2 系统方案与设计功能结构设计

船舶电力设备状态监测系统功能包含以下八个部分：

1）传感器信息采集：包含振动信息、温度信息、绝缘信息、电压信息以及电流信息等。

2）设备以及传感器信号编码管理：包含设备编号，位置编码，监控数据编码。

3）信息报警管理：信号达到预警范围，提醒运营人员。

4）监控数据实时显示：相关数据显示。

5）监控历史数据记录：历史数据储存便于运营人员查阅以及陆上进行仿真计算。

6）通讯：船舶部分与陆地部分的数据传输。

图2 系统功能总图

7）设备数据仿真分析以及预测：船舶部分利用便携式检测仪做出简单的数据处理计算，以得出当前电力设备状态，陆地部分将设备数据进行处理以及仿真计算，判断目前设备状态，并利用大数据预测后期设备状态以及维护周期。

8）用户管理：区分用户权限。

3 基于物联网的船舶电力设备状态监测系统关键技术

3.1 传感节点

本系统以Zigbee无线传感器网络完成整个船舶设备信息的采集和传送。无线传感器节点功能组成由数据采集、数据处理、无线通信、能量供应四部分组成，具体结构组成如图3所示。无线传感器网络节点以TI的CC2530为核心，采用其内部集成的的8051单片机进行传感器节点的数据采集，选用TI的MC34063作为电源输入部分处理，并利用Zigbee无线网络进行节点与节点之间的数据传输。整个无线传感网络避免了传统船舶监控网络有线组网方式的布线复杂，可扩展性差、安装成本高、移动性能差［3～4］等一系列弊端。

图3 无线传感节点图

3.2 无线通讯网络

传感器作为感知网络中信号的发送者和接受者是整个监测系统的重要部分。Zigbee作为一种短距离、复杂度低、低功耗的无线网络技术［5］，它是介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案［6］，在传感器网络等领域应用十分广泛，按照组网结构分为星状、树状以及网状结构［7］，三种结构各有各的特点。本文基于物联网的船舶状态采集系统，其传感器通讯网络由于船舶环境、节点数多以及分布较为零散，为了更高的可靠性，所以采取星形Zighee无线网络结构。

图4 三种Zigbee网络结构图

2.3 大数据

大数据是指种类繁多的，具有数据流量大，容量大的特性且价值量高的复杂数据的集合［8～10］。为了更好地在后台对设备状态进行处理以及对设备后期状态做出准确判断，需要原有的设备厂家原始的历史设备状态数据库，以及以用大数据做出最相近的后续数值判断，并进行仿真。

4 基于物联网的船舶电力设备状态监测系统

基于物联网的船舶电力设备状态监测系统分为如下子系统：

1）电力设备运行状态监测以及仿真子系统。主要负责船舶上电力设备的状态数据采集，以及现有状态的仿真以判断当前设备的状态，并将数据与陆上进行通讯。

2）船舶便携式电力设备运行状态监测以及分析子系统。主要功能是帮助巡检人员进行数据显示，并带有计算仿真功能进行单一设备的细致化分析方便运营人员进行维修。

3）陆上电力设备电力设备运行状态监测以及大数据仿真子系统。主要作用是基于设备厂家历史运行数据以及船舶电力设备检测系统数据，运用大数据以及云计算技术对设备后续状态以及趋势做出准确的判断，并将数据与船上进行通信，陆上和船上的数据二者互为备份。

5 结语

本文主要介绍了基于物联网的船舶电力设备状态监测系统，运用不同类型的传感器组成无线传感器网络，并利用Zigbee完成相互之间的通信，通过网关节点将数据传输给船舶监测中心以及便携监测仪，完成数据的显示和处理完成目前设备状态分析，并上传给陆上监测中心完成大数据技算以及预测性仿真以判断设备后期状态。该系统省去了常规船舶监控系统中布线复杂的问题［11］，并且大幅提高电网设备管理效率、电网运行管理水平、后期扩展能力，降低巡检次数与时间，施工以及安装成本［12～15］，具有广阔的推广价值和应用前景。