基于STC15单片机的船舶动力装置参数传输方法的研究

江苏航运职业技术学院 季 禹 蔡士奇 程真启

随着“互联网+”计划和“中国制造2025”战略的深入实施，我国航运业迎来发展新契机。“互联网+船舶”促使信息技术在船舶领域中广泛应用提上日程。现有船舶船岸通信传递系统受制于到传输技术、成本费用等方面影响，船舶动力装置参数传输方法有待提高。此背景下，本文基于传统机舱动力设备参数采集与处理方法进行理论探究，建设基于STC15系列单片机的智能传感器和基于光纤网的机舱信息平台，以解决船舶机舱海量数据传输的可靠性与流畅性问题。

随着互联网技术的蓬勃发展，人工智能、大数据等新兴计算机技术被广泛应用于各个领域。2017年6月，IMO第98次海安会讨论了航运科技大国提出的海上自主航行船舶，同意成立工作组研究相关的法律、安全、环保对策。至此，“智能船舶”这一概念被正式提出。“智能船舶”是指将先进的自动化、信息化、大数据分析技术运用于船舶信息的获取、处理及决策过程。从目前的研究结果来看，船舶大数据多体现在遇险报警、紧急通信、航行警告、气象警告等船舶航行安全信息领域的应用。而在船舶通信领域中，无论是内河还是远洋船舶的船岸通信，与船舶机舱动力装置参数传输方面的研究甚少。就目前的船舶通信而言，机舱动力装置参数的通信传输已成为智能船舶与无人船舶的技术瓶颈之一。对此，本文致力于对机舱动力装置海量参数传输提出一种新型的采集和运行方案，从而使岸端控制中心实时掌握船舶重要动力设备运行状态、实现船岸一体的智能管理。

1 船舶动力装置参数传输方案设计

1.1 整体设计

本次设计主要研究微控制器、数据采集、数据传输三大部分。信息采集模块将采集到的数据经过第一阶段的简易处理之后，传输给微控制器STC15。而后，微控制器STC15运行其内部嵌入的控制算法，利用光收发器将数字信号以光的形式传输到后台控制系统（见图1）。具体而言，为适应船舶动力装置系统中数据量大特点，本次研究将船舶机舱专用的将传感元件与单片机相结合，利用信息处理技术，形成一个可以实时传递参数的新型智能传感器。该传感器被赋予一个IP地址，提供DC24V传感器隔离电源为传感器工作提供持续的动能。并且，智能传感器内部置有控制程序，该程序固化于单片机芯片中，以光形式输出数字信号，大大提高了传感数据传输效率。

图1 智能传感器原理图

1.2 基于单模光纤的机舱网络信息平台

分布数据库同步机制是光纤网络信息平台的运行核心机理。这一机制是针对数据同步领域的一项新技术。该技术淘汰了传统数据库速度慢、网络不安全、协议繁琐、费用高的传统“通信模式”。此举促使光纤网络信息平台的每个节点与网络连接处均串入专用芯片，节点设备通过专用芯片与其他设备进行网络联通。芯片内部包括有分布数据库及同步软件包，该软件包支持所有芯片数据库通过网络高速同步。这一运行模式下，分布数据库作为平台总数据库而存在。而传输节点在工作时流量为零，有效压缩了平台流量。在此基础上，利用WEB技术开发机舱网络信息平台作为机舱信息控制中心，基于计算结果进行决策。该技术系统图简述如图2所示。

图2 分布数据库同步原理图

2 船舶动力装置参数传输技术分析

2.1 全新船舶动力装置智能传感器

本研究所采取船舶动力装置智能传感器是基于最新的STC15系列微处理芯片而研发。15系列单片机在12的基础上添加了更加强大的功能。就运行速度而言，15系列比11系列和12系列的运行速度提升了20%。且15系列单片机内置的RC振荡器具有更高的精度（0.3%）与更小的温飘。除此之外，15系列单片机可设定多频传输。它拥有四个独立串口与SPI接口，其内扩静态随机存取存储器大小达4K，并拥有5路定时器、6路CCP/PCA/PWM比较捕获单，为船舶动力装置数据捕获与传输提供强大的硬件支撑，单片机芯片构造如图3所示。其中，芯片传感器供电电源为12V，经过LM1117_5稳压芯片产生5v的交流电源传输给单片机。之后，单片机通过串口U1和光收发器，进行数据传输通信。具体而言，首先利用AT指令配置单片机参数，设置传输波特为9600bps。其中包含8位数据位和1位停止位。本次实验暂不设置校验位，工作模式设置为“STATION”。其次，将数据传输模块与船舶通信基站联通。最后，将建立的TCP/IP连接保存至“PARAMETER”区域，以保证数据成功建立传输连接并进行数据穿透。

图3 STC15系列微处理芯片

2.2 分布数据库的网络信息平台

从数据传输层面来看，本次研究采用了“触发式”更新数据库机理，从而保证巨量传输效率与可靠性。“触发式”更新数据库彻底改变了先前的机械式定时更新数据库的方式。在没有数据刺激时间段，“触发式”数据库处于“休眠状态”。当有数据刺激时，“触发式”数据库开始工作。这一数据库运作机理从根本上减少了CPU的开销，缩减网络数据的传输量，为大数据传输与存储创新了一条新路径。从数据处理层面来看，本研究采用WEB服务器实现与单片机的实时互通。一方面，此举简化了单片机数据传输流程，缓释单片机传输压力。另一方面，利用WEB服务器自由的处理条件，研究人员可以自由设计高性能数据处理算法，提升网络信息平台数据处理能力，为船舶动力装置参数传输与处理提供可靠条件。

结语：本文通过对现有船舶机舱大数据采集和处理的研究成果进行梳理，针对传统动力参数控制系统所存缺陷，构建了基于STC15单片机的船舶动力装置参数传输方案。验证结果表明，基于STC15单片机的船舶动力装置参数传输方案，具有良好的信息传输能力，完美解决了传统动力装置参数传输存在的问题与不足，为未来船舶动力装置参数传输方法研究提供了新的思路与方向。