0 引 言

随着地方经济的快速发展，渔业迎来了前所未有的商机，以渔业为生的人群大量增加，在出海打渔时，除了有用的海鲜类之外，船舱内异常压力往往无法避免，异常压力直接影响渔船安全，同时，也增加了渔民的安全风险，降低了安全性能，需要实时对船舱内的异常压力进行警戒^[1-3]。为此，船舱内异常压力警戒监控平台的设计，受到了广泛的关注，出现了很多好的方法^[4-5]。

文献[6]提出基于移动终端的监控物联网平台设计方法，通过移动互联网、移动通信和卫星通信等技术，设计了监控物联网平台，该平台可有效的对船舱内异常压力情况进行监测，但是存在监测效率低的问题；文献[7]提出基于 WEBGIS 的物联网平台，通过在数据分析模块添加 TMS320DM642 芯片，提高数据分析能力，实现对船舱异常压力的实时警戒监控，但是存在平台监测性能差的问题；文献[8]设计了一种基于无线传感器的物联网平台，通过对船舱异常压力数据进行分析，用无线传感器将数据采集模块及分析模块进行连接，增加物联网平台的监控性能，但是存在平台数据采集时间长的问题；文献[9]提出基于 MQTT 的物联网平台设计方法，通过介绍服务器通信协议 MQTT 的基本原理，基于该协议设计一个物联网平台，通过架设代理服务器，实现移动 APP 和前端设备节点的信息采集与分析，且该系统具有良好的稳定性、实时性和并发性，但是存在监控误差大的问题。

针对上述问题，设计并实现了一种船舱异常压力警戒监控的无线网络平台。对硬件部分的警戒模块、接口模块、电源模块、控制模块、传输模块、采集模块进行了分析，并设计了平台软件部分。实验结果证明，本文设计的监控无线网络平台其监控所需时间更短、准确度更高，具有更好的性能。

1 船舱内异常压力警戒监控无线网络平台硬件 设计 1.1 电源模块

船舱内异常压力警戒监控无线网络平台电源由 + 24 V 的蓄电池提供，模拟信号调理电路电源为 + 12 V。因为是蓄电池供电，使得电压不稳，不能直接接到控制器上使用，需要设计将电压调整为稳压电源。由于船舱内异常压力警戒监控无线网络平台使用环境干扰较大，DC/DC 模块电网体积小，性能好，使用方便，能够省却电源设计、调试方面的麻烦，增加平台的可靠性。选择使用 DLM05-24S05 型和 DLM3/5-24D12 型宽电压输入隔离电源模块，使电压精度达到 0.01，隔离电阻为 500 MΩ，隔离电压为 500 VDC。供电电源电路如图 1 所示。

由图 1 可以看出，输入到模块的 + 24 V 电源通过 DLM3/5-24S05 后输出 5 V 电压，给 + 5 V 平台供电。经过 DLM3/5-24D12 后输出 12 V 电压，给出 + 12 V 模块供电。

1.2 接口电路

Header 3X2 是由 Freescale 半导体公司压法的一种单线调试方式芯片，是单片机普遍使用的调试方式之一。可通过 BDM 调试器对目标板 MCU 的 FLASH 进行写入，擦除等操作用。BDM 硬件调试插头的设计也较为简单，主要是要满足传输时序关系与电平转换需要。接口电路模块如图 2 所示。

接口电路采用 MC9S08DZ60 调试器，其 BKGD 和 RESET 信号分别与电源模块的第 33 管脚与第 8 管脚相连，在进行船舱异常压力警戒数据传输时，采用 11111 极开路驱动的方式，平时使用上拉电阻维持高电平。

1.3 传输电路

传输电路主要由 CAN 控制器、CAN 驱动器和附件组成。因为 MC9S08DZ60 单片机构建了 CAN 总线的控制器，因此无需考虑 CAN 总线控制器的设计，仅考虑 CAN 总线接口电路设计即可，其性能达到 TTL 电平和 CAN 总线电平转换的目的。传输电路模块如图 3 所示。

CAN 总线驱动器使用高速收发器 TJA1040。TJA1040 是总线供应差动的数据输送功能和差动的数据接收功能，增强了总线的数据传输能力，此芯片需要在总线两引线间接入一个 120 Ω 电阻来减少数据传输时产生的能耗。为了增强 CAN 总线的传输时的抗干扰能力，使用 MC9S08DZ60 的 TxCAN 和 RxCAN 来增加 CAN 总线的传输速率，使传输速率达到 1 Mbps，增强总线的稳定性。尤其是有 2 个电源 VCC 和 VDD 的必须完全隔离，否则数据传输能耗增加，效率降低。

1.4 数据采集模块

数据采集模块主要由 MCU、外部时钟、复位电路、电源模块、接口电路、CAN 总线收发器、数据调理电路组成。能够采集 24 通道传输数据值，具有 12 位分辨率，2.5 μs 转换时间，有自动采集功能。

1.5 控制模块

船舱异常压力警戒监控中心的有线控制是经过 Internet 把数据输送到区域管制中心或管制终端的，监控范围控制中心配置有共用的计算机，能够经过网卡和控制中心 PC 机进行网络传输，而控制终端的计算机是 1 个 C8051 单片机，无直接和以太网连接的接口。必须要设计 1 个以太网控制模块，达到控制终端和上级控制中心网络通讯的目的。使用 Silicon Lab 公司研发的 CP2200 以太网控制芯片和 MCU 配合达到以太网通信的目的。以太网控制模块如图 5 所示。

CP2200 以太网控制芯片包含 1 个符合 IEEE802.3 规范的以太网媒体访问控制器（MAC）和 1 个 10BASE-T 物理层接口（PHY），采用 48 针 TQFP 格式封装。具有全/半双工通信模式。CP2200 内的 SkFLASH 存储器，具有 11 个 I/O 引脚以上的 MCU 或主处理器供应以太网通信性能。8 位并行总线接口支持 Intel 及 Motorola 总线模式，具备 I/O 引脚复用及非复用两种寻址方法，在非复用寻址方法下，数据输送速率能达到 30 Mbps。此控制模块的主要新更能是对全体船舱异常压力警戒监控无线网络平台进行控制，提高平台稳定性，增加平台性能。

1.6 警戒模块电路

警戒模块由FPGA通过控制模块控制，警戒模块电路如图 6 所示。

当 FPGA 接收到控制中心发出的命令后，经过扩频码同步、载波同步后，根据命令内容，发出警戒信息。当收到的信息为船舱异常压力警戒信息，则三相开关关闭，两相开关开启，警戒信息发出；反之，正常情况下，三相开关开启，两相开关关闭，无警戒信息发出。

2 实验结果分析

为了验证设计的船舱异常压力警戒监控无线网络平台性能，需要进行实验验证分析。实验环境为：双核 P4 1.6 G 的 CPU，内存为 2 G 以上，Windows2000 操作系统上进行，信息传输速率为 50 kbps，实验数据来自 mysq2000，实验采用移动终端监控平台、MQTT 协议监控平台与本文设计平台对比。实验用简易平台如图 6 所示。图中，1 为主监控中心；2 为传输模块；3 为电源；4 为警报模块；5 为信息采集模块；6 为接口模块；7 为开关。

为了验证设计平台的有效性，在测试范围一定的情况下，分别采用移动终端监控平台、MQTT 协议监控平台为对比，进行监控所需时间方面的对比实验分析，对比结果如图 8 所示。

由图 8 可知，采用移动终端监控平台时，其所需时间约为 5.9 s，但随着监控范围的增加，所需时间也随着增加，不适合大范围的使用；采用 MQTT 协议监控平台时，其所需时间约为 7 s，随着监控范围的增加，而存在大量的波动，稳定性较差；采用本文设计的平台时，其所需时间约为 4.5 s，且随着监控区域的增加，其所需时间逐渐下降，相比其余 2 个平台，其所需时间分别降低了约 1.1 s 和 2.5 s，具有一定的优势。

为了验证设计平台的有效性，在时间一定的情况下，进行监控平台监控准确度方面的对比实验分析，对比结果如图 9 所示。

由图 9 可知，采用移动终端监控平台时，其监控准确度约为 50.5%，且随着监控时间的增加，监控准确度下降，不适合大范围使用；采用 MQTT 协议监控平台时，其监控准确度约为 37.2%，且随着监控时间的增加，出现大量的波动稳定性能差；采用本文设计平台时，其监控准确度约为 74.3%，且随着监控时间的增加而增加，相比移动终端监控平台、MQTT 协议监控平台，其监控准确度分别提高了约 23.8%、37.1%，具有一定的优势。

4 结 语

针对传统的船舱内异常压力警戒监控无线网络平台，一直存在监控不准确的问题。本文设计并实现了一种新的船舱内异常压力警戒监控无线网络平台，对组成的硬件部分进行了详细分析，并设计了平台软件。经实验对比分析可知，采用本文设计的平台，相比传统的监控平台，监控准确度更高，性能更好。