基于CAN總線的船舶自動舵監(jiān)控報警系統(tǒng)設計

1、 基于CAN總線的船舶自動舵監(jiān)控報警系統(tǒng)設計 周韜 張顯庫 李博摘 要： 為了減少船舶駕駛人員使用自動舵設備航行時引發(fā)的事故，并且方便船舶相關人員查看相關故障信息。以Visual Basic為編程語言，采用雙CAN總線通信、串口通信，設計能實時監(jiān)控自動舵信息并提供報警信息的系統(tǒng)，并詳細說明該系統(tǒng)的構架、功能、信息傳輸接口和界面設計。以某段航線為例，在該系統(tǒng)上進行仿真測試，結果表明，該系統(tǒng)能實時并且正確地顯示航行信息，對超出安全閾值的信息能及時產生報警并且存入數據庫。該系統(tǒng)對減少船舶航行事故有很大幫助，對整體自動舵的安全使用很有意義。Key： 自動舵; 監(jiān)控報警系統(tǒng); 顯示航行信息; 仿真測試;

2、 實時監(jiān)控; 功能說明： TN830.1?34; TP301.6 ： A ： 1004?373X（2019）16?0117?050 引 言自動舵設備作為船舶駕駛臺的重要組成部分，可以實現改變航向、航向保持、航跡保持等船舶航行功能，這些功能極大地減輕了船舶駕駛員的負擔。隨著船舶航運的發(fā)展，大型商船越來越離不開自動舵設備的使用。自動舵設備的普及，減輕了船員的工作強度，節(jié)省了燃油，在正常使用的情況下船舶可以更快地到達目的港。然而，據悉，海難事故大多是人為產生的1，在船舶安裝有自動舵設備后仍然會產生船舶碰撞、擱淺、上灘等事故。由此可知，很有必要設置自動舵監(jiān)控報警系統(tǒng)，以實時監(jiān)控船舶的狀態(tài)，并且對故障進

3、行報警和定位。遠洋船舶遠程監(jiān)控系統(tǒng)是船上人員與陸地端的船舶公司信息溝通的重要工具。為了滿足陸地端公司對遠洋船舶更有效的監(jiān)控，崔文彬等應用BP神經網絡對船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)進行改進2。船舶日益現代化、智能化與快節(jié)奏營運，船舶的監(jiān)控和管理是發(fā)展的趨勢，船舶機艙遠程在線監(jiān)控可以減少事故的發(fā)生，但是機艙數據繁多，不易管理，孟維明等提出統(tǒng)一化分類的方法，為機艙數據標準化奠定了基礎3。為了監(jiān)控各時段主機狀態(tài)參數偏離標準運行程度，找出安全隱患，宋立國等建立了基于熵權的船舶主機狀態(tài)監(jiān)控及評價模型，實時采集系統(tǒng)參數，進行全時段的數據分析4。為了提升船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)水平，甘輝兵等給出了適合船舶機艙數據挖掘的聚類算法，

4、為船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)設計及應用提出了一種新的思路5。為了提高船舶安全航行能力，朱冠良提出了嵌入式技術的船舶實時監(jiān)控系統(tǒng)設計方法，監(jiān)控模塊由信息采集模塊、信號處理模塊、核心控制模塊和輸出模塊組成6。隨著船舶航運的發(fā)展，船舶數量也在增多，遠程監(jiān)控系統(tǒng)船舶數量過多，不便于監(jiān)控。為了實現對重點船舶、重點區(qū)域的監(jiān)控，王捷等設計、開發(fā)了基于AIS信息的船舶實時個性化安全監(jiān)控系統(tǒng)，進一步保障了船舶的航行安全7。在世界海難事故中，人為因素占事故總量的70%，其中，人員疲勞是人為因素的主要原因8。為了減少因人員疲勞導致海難事故數量，周鋒等提出了一種基于視頻流跟蹤的駕駛臺值班報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對比兩個時刻值班人員

5、的位置差異來判定值班人員的清醒狀態(tài)9。隨著船舶航運的發(fā)展，常規(guī)的機艙監(jiān)控系統(tǒng)已經不能滿足日趨智能化和數字化的船舶機艙設備的監(jiān)控要求，黃丞結合K?CHIEF600系統(tǒng)提出了基于CAN總線的網絡體系結構，為散貨船設計了機艙監(jiān)控報警系統(tǒng)10。文獻2?10有對駕駛臺防駕駛員疲勞的監(jiān)控、有海岸到船的遠程監(jiān)控、有船舶防污染的監(jiān)控，但對于船舶自動舵的監(jiān)控報警系統(tǒng)未有文獻提及。船舶自動舵監(jiān)控報警系統(tǒng)應用了雙CAN總線技術、計算機數據庫技術、最新Windows環(huán)境下的Visual Basic編程技術，分別與舵機裝置和自動舵主機通信、與船舶VDR通信，是一個只針對自動舵設備的監(jiān)控報警系統(tǒng)，可以實時監(jiān)控自動舵設備的

6、工作狀態(tài)信息，可以實現錯誤提示、故障報警和日志記錄等功能，系統(tǒng)有效地減少了因使用自動舵設備而引發(fā)的事故，促進了船舶自動化水平的提升。1 CAN總線1.1 CAN現場總線技術CAN不僅是一種串行通信總線，而且是一種把大量現場級設備和操作級設備相連的工業(yè)通信系統(tǒng)。高速以太網發(fā)展勢頭良好，因其具有廣泛的技術基礎和低廉的開發(fā)成本。盡管如此，具體到船舶方面，因實時性與可靠性都非常良好11，所以CAN總線的應用仍然有較好的前景。CAN總線上任意兩個節(jié)點之間的最大傳輸距離與其位速率有關，位速率對應的最大傳輸距離具體如表1所示。1.2 CAN總線通信CAN通信協議描述了設備之間信息是如何傳遞的，CAN總線實際

7、的通信是發(fā)生在每一設備上相鄰的兩層，而設備只通過模型物理層的物理介質互聯。CAN的結構定義了模型的最下面的兩層：數據鏈路層和物理層。信號能夠使用差分電壓傳送，CAN驅動器能夠因此而避免噪聲和容錯。這兩條信號線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，用CAN_H比CAN_L高表示的邏輯“0”被稱為“顯性”位，而用CAN_L比CAN_H高表示的邏輯“1”叫作“隱性”位，如圖2所示。數據鏈路層定義了報文傳輸的格式和定時協議，有兩種描述符都能達到8 B的數據，如圖3所示。2 監(jiān)控報警系統(tǒng)2.1 監(jiān)控報警系統(tǒng)硬件配備1） 示意圖。在線監(jiān)測與故障報警平臺示意圖見圖4。監(jiān)控報警系統(tǒng)控制面板由7個按鍵（輕觸型）

8、組成，分別為向上（UP）、向下（DOWN）、翻頁（PAGE）、確認（ENTER）、試驗（TEST）、調光（）、消音（）。按鍵功能說明如表2所示。2） 具體配置控制面板，外觀包括嵌裝的蓋板及底板。蓋板表面設置有單指示色按鈕組件，底板上包括PCB電路板與單片機（可采用Arduino/51/32單片機，輸出采用USB串口），PCB電路板上設置有兩種LED燈珠，按鍵背光由兩種顏色燈珠（白色燈珠：見圖4;紅色燈珠：汽車控制面板背光）兩種按鈕背光可切換。整體尺寸：寬330.00 mm，高180.00 mm，按鍵尺寸：寬45.00 mm，高18.00 mm。布局圖如圖4所示，屏幕尺寸：寬197.80 mm，

9、高150.80 mm。3） 具體尺寸所有按鍵寬45 mm，高18 mm。所有字體均為微軟雅黑。4） 輸入輸出接口輸入輸出接口包括： 兩路CAN 2.0接口（分別與兩套舵機裝置的在線監(jiān)測裝置和自動舵主機通信）; 一路CAN 2.0接口（與VDR通信）; 一路RS 422接口（與VDR通信）; 一路LAN網口（擴展LAN設備用）; 一路DC 24 V電源輸入接口。2.2 監(jiān)控報警系統(tǒng)軟件設計根據船舶的實際需要，監(jiān)控報警系統(tǒng)界面設計中、英文，白天、夜間模式，界面設計美觀，如圖5、圖6所示。自動舵監(jiān)控報警系統(tǒng)從CAN總線獲取數據，其示意圖見圖7。自動舵主操、副操、主機以及在線報警監(jiān)控系統(tǒng)所有的數據都在

10、CAN總線中，通過與CAN總線通信實現了多對多的數據交換，加快了數據傳輸的速度。系統(tǒng)中，操作面板、蜂鳴器都是串口通信，蜂鳴器采用的是ARDUINO電板，系統(tǒng)通過串口寫入特定的字符就會引發(fā)蜂鳴報警聲。2.3 監(jiān)控報警系統(tǒng)監(jiān)控信息及報警信息監(jiān)控報警系統(tǒng)連接著舵機與自動舵主機，其監(jiān)控的數據有36種，具體如表3所示。報警信息包含開關量報警和模擬量報警。開關量體現的是“0”或是“1”，非此即彼的選擇;模擬量體現的是數據，數據超過相應閾值就報警。船舶自動舵報警信息種類有指令控制箱故障、船速丟失、航向變化過快、航跡超差、航向丟失、船舶姿態(tài)信息丟失、船速過低等。監(jiān)控數據類型 監(jiān)控數據 船舶姿態(tài)信息 經度、緯度

11、、羅經航向、對地航向、對水航速、對地航速、橫搖角、縱搖角、實際航向、主機轉速 船舶航行信息 設定航向、航向偏差、航線號、偏航距離 環(huán)境參數 真風風速、真風風向、相對風速、相對風向、海流流速、海流流向、實際水深 舵機參數 失電、斷相、過載、過濾器、液位低、油溫高、控制失電、舵機不動、液壓鎖定 指令控制箱信息 反饋舵角、執(zhí)行舵令、指令控制箱1、指令控制箱2、指令控制箱3、指令控制箱4 3 仿真測試主機將RS 422接收信息進行轉換直接發(fā)送至CAN總線中，參考NMEA0183協議報文格式進行報文設置，總共分為：氣象信息報文、導航信息報文、位置信息報文、海深信息報文、操舵狀態(tài)報文、船舶參數報文、舵參數

12、報文、報警參數報文、報警信息報文。其中，氣象信息報文如下：$WEMES，HHMMSS.SS，DD.MM，QQQ.PPP，DD.MM，QQQ.PPP，DD.MM，QQQ.PPP，DD.MM，DD.MM，DD.MM，AAAA*CC例：$WEMES，092204.99，16.11，030.012，12.14，027.112，01.24，040.111，24.40，49.70，01.24，0000*1F幀ID（0 x04B）表示如下：字段0：$WEMESS，語句ID，表明該語句為天氣信息;字段1：UTC時間，hhmmss.ss，時分秒格式;字段2：絕對風速dd.mm（前導位數不足則補0）;字段3：絕對

13、風向（000.000360.000）;字段4：相對風速dd.mm（前導位數不足則補0）;字段5：相對風向（000.000360.000）;字段6：海流流速dd.mm（前導位數不足則補0）;字段7：海流流向（000.000360.000）;字段8：溫度;字段9：濕度;字段10：大氣壓強;字段11：校驗值。系統(tǒng)運行流程圖如圖8所示。系統(tǒng)實時對相應的數據進行接收，并且判斷該數據是否超出所設定的閾值。經測試，系統(tǒng)可以實時、有效地接收相關數據并且對超過閾值的信息發(fā)出聲光警報，存入數據庫。具體測試界面如圖9所示。4 結 論本文設計的監(jiān)控報警系統(tǒng)通過CAN總線接收船舶自動舵系統(tǒng)數據，羅經、測深儀、風速風向儀

14、等航海儀器通過RS 422串口將數據送到CAN總線中，監(jiān)控報警系統(tǒng)對數據進行處理，并且與相應閾值進行比較，超過閾值的進行報警并且存儲于數據庫中。由于本文設計的監(jiān)控報警系統(tǒng)是通過處理各航海設備傳輸到CAN總線的數據，所以會有一定的延遲，但是系統(tǒng)初步實現了對自動舵設備的監(jiān)控報警功能。為解決系統(tǒng)有延遲的問題，可以從硬件上入手，即監(jiān)控報警系統(tǒng)直接與各傳感器相連接。綜上所述，本文所設計的監(jiān)控報警系統(tǒng)實現了船舶航行中對自動舵設備的監(jiān)控及報警功能，系統(tǒng)能有效地防止人員因使用自動舵設備而產生的船舶事故，對船舶安全航行具有重大的意義。Reference1 殷志明.影響船舶航行安全的因素淺析J.廣東交通職業(yè)技術學

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