基于应力传感器的船闸系船钩拉力检测系统

郭强

摘 要：为了确保船舶停靠安全，目前船闸工作人员对于助航设施系船钩的检查采用人工定期巡检方式，查看其状况。本文结合船闸实际情况，设计基于应力传感器的系船钩拉力检测系统，对拉力数据进行预处理，利用设置阈值的方法筛选异常数据，实现对系船钩异常松动报警，实时掌握系船钩状态，提升船闸安全管理水平和智能化程度。

关键词：系船钩 拉力检测 阈值报警

近年来，随着水运事业的发展，船舶运量及船型均呈逐渐加大的趋势，船舶实际通过量逐年增加，致使船闸运行负荷逐年加大，从而导致直接参与船闸运营的设备、零件的损坏率逐年上升。系船钩是船闸中必不可少的附属设施，在闸室或引航道中，通过缆绳系运动船舶产生的作用力传到系船钩上，系船钩提供反作用力制止船舶运动，避免其撞击闸门、闸墙。当系缆动作不规范，船舶无法在闸室或引航道中稳固，可能撞击闸墙或闸门，对通航建筑物造成危害的同时还可能对系船钩造成损坏。可能导致系船钩的锚固螺栓或螺母失效，从而使整个钩体部分松动或被拉脱。综上所述，系船钩的拉力检测对闸室和船闸安全保障尤为关键，一种能实时采集系船钩拉力参数并自动报警的系统具有极其重要的意义。

1.系船钩巡检现状

船闸对于系船钩采用人工定期巡检方式，对系船钩的监测，会存在以下问题：

（1）缺乏实时监管能力，无法24小时掌握其运行状态，一旦发生损坏不能及时响应；（2）人工巡检大多依靠经验，无法客观科学地记录设施情况；（3）人工巡检需要调用船舶进行，费时费力。

2.基于应力传感器的系船钩拉力检测系统研发

通过安装传感器对系船钩所受的拉力进行实时监测，获取拉力数据。对拉力数据进行解析并通过应力检测接口传输到数据采集卡，将数据发送到软件系统，若检测到数据超过设置的报警阈值，启动报警。软件系统会将传感器数据记录保存，生成统计报表。实现对设施的预防性养护，延长设施生命周期，对设施状况进行智能评价。

2.1系统功能

（1）实时数据监控。系统接收远程数据采集点的系船钩拉力数据，将监测数据发送到中心，从而实现对系船钩状态的实时监测。

（2）实时数据显示。主站服务器接收系船钩在线监测采集装置发送的实时数据，以表格、图形等形式显示监测点的数据，能够根据实际情况设置报警阈值。

（3）监测数据分析。进行监测数据分析，历史监测数据分析。辅助工作人员进行日常运维检修等工作。

（4）报表打印。支持数据统计报表打印输出。

（5）监控WEB。采用B/S模式，在通用web浏览器页面上显示实时监测数据、历史统计数据，同时可在内部网上发布系船钩状态的最新数据、历史数据。

（6）系统管理。各类系统参数设定、权限管理，外部数据接口管理。

2.2系统架构

（1）系統选择STM32F103作为系船钩监测模块的主控制器。通过STM32可实现对应力传感器的信号采集和数据处理以及配置WiFi模块，定时上传应力传感器的采集数据。

（2）通过应力检测接口将拉力数据传输到数据采集卡，通信接口为SPI接口，SPI是一种高速，全双工，同步的通信总线。

（3）将数据发送到软件系统，经过筛选处理得到报警阈值，无线传输模块采用ESP8266芯片，通过STM32的UART接口对ESP8266进行配置连接上路由器，并且主动与服务器建立连接。STM32将数据进行封装后由ESP8266模块发送给服务器，重复动作直到通信结束。

（4）检测到数据超过设置的报警阈值，启动报警装置进行报警。

（5）软件系统会将传感器数据记录保存，生成统计报表。

（6）整个系统采用太阳能板结合锂电池进行供电，我们选用5V/140mA的锂电池作为电源，满足各模块的功率需求，只需通过降压模块转成3.3V恒定输出，便可保证系统稳定工作。

2.3系统硬件

（1）数据采集模块。根据系船钩监测模块的需求决定采用STM32单片机，STM32最高稳定工作主频72M，内置硬件乘法器，可以进行浮点型运算的处理。不仅可以作为控制器，更可以作为处理器进行使用，本项目中我们选择STM32F103作为系船钩监测模块的主控制器。该单片机有大量的系统资源和外部电路接口，有32位的中央处理单元，有Cortex？-M3嵌入式处理器，哈佛结构，并且具有数据总线和指令总线独立的特点，能提高CPU的执行速度和数据的吞吐率。同时，它具有多功能的时钟发生器，可扩展的存储空间，内嵌2个12位数字/模拟转换器，可连接16个外部通道。多种定时器功能，众多的中断资源，DMA功能，UA R T功能，且含有外部中断等多重功用的MCU。

通过STM32可实现对应力传感器的信号采集和数据处理。以及配置W i F i模块，定时上传应力传感器的采集数据。当采集的数据超过设置的阈值时，发出警报。

（2）无线传输模块。无线传输模块采用ESP8266芯片，这款芯片使用了3.3V的直流电源，体积小，功耗低，支持透传，丢包现象不严重。芯片内置无线网络协议、IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，具有两种工作模式，分别为正常启动模式和配置启动模式。

（3）应力检测接口模块。应力传感器的通信接口为SPI接口，需要在监控模块上设计一个SPI通信接口。SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，SPI接口一般使用4条线通信：MISO 主设备数据输入，从设备数据输出；MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入；SCLK 时钟信号，由主设备产生；CS 从设备片选信号，由主设备控制。

（4）电源模块。在系船钩监测模块的电路设计中，电源模块有着极其重要的地位。只有电源稳定，系船钩监测的各个模块才能工作正常。在经过前期的测试，发现传感器、无线、主控制器所需电压为3.3V。综上要求，系统选用5V 140mA的太阳能电池作为电源。因为其体积小重量轻，只有10克，但是可以满足各模块的功率需求。只需通过降压模块转成3.3V恒定输出，便可保证系统稳定工作。

3.结束语

基于应力传感器的系船钩拉力检测系统通过应力传感器，实现系船钩的实时监测，并对异常状态进行报警，实现全天候无人化在线监测。大大降低了人工成本，减少人工巡检产生的船舶调用费用。在社会效益上，本系统的应用，利用信息化手段规范了船闸养护工作，提高了养护管理水平；通过智能检测技术优化了养护工作流程，提供了闭环管理手段，有效的保障设施安全运行，减少安全生产事故的发生。

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