0 引　言

船舶电气设备主要集中在电力系统、动力系统、照明系统、通信系统和导航系统等，随着电气自动化技术的逐渐发展，船舶电气设备的装载量不断提高，保障船舶电气设备的安全运行，成为一个重要的研究内容。船舶电气设备的运行参数中，温度表征了电气设备运行的功率、线路完好性等，设备温度过高往往说明电气设备的超载运行和线路故障，不及时处理可能导致设备出现火灾等事故，因此提高对船舶电气设备的温度监测意义重大。

本文采用红外温度监测器和热敏传感器等多种温度采集装置，结合Zigbee无线通信网络，设计一种新型船舶电气设备过热监测系统。

1 船舶电气设备温度监测技术 1.1 基于红外成像仪的温度监测

红外测温技术是业内一种应用广泛的温度测量技术，它是一种非接触式温度采集技术。相对于传统的温度采集，具有以下优点：

1）由于采用非接触式测量，红外测温技术不改变被测目标的周围温度场分布情况，比传统温度测量方法的精度更高。

2）红外测温技术的测量范围广。

3）红外测温读取目标温度的响应速度非常快，既可以获取被测目标的动态温度，也可以获取目标在达到热平衡之后的温度。

红外测温基于黑体辐射定律^[1]，其表达式为：

$ {M_\lambda } = \frac{{{c_1}{\lambda ^{ - 5}}}}{{{e^{{c_2}/\lambda T}} - 1}} \text{。} $

式中： $ {M_\lambda } $ 为黑体的光辐射通量； $ {c_1} $ 为辐射常数； $ {c_2} $ 为第二辐射常数； $ \lambda $ 为光的波长^[2]； $ T $ 为黑体的绝对温度。

黑体不同温度下的光谱辐射特性曲线如图1所示。

红外热成像仪是最常见的一种基于红外测温技术的温度传感器，它将被测目标温度特性转换为辐射能量，红外热成像仪正常工作条件下，成像仪的图像信号幅值 $ {U_s}{\text{ }} $ 可表示为：

$ {U_s}{\text{ = }}\frac{{\omega b{T^5}}}{\pi }\int_{{\alpha _1}}^{{\lambda _2}} f (\lambda T)\varepsilon (\lambda ){\tau _a}(\lambda ){\rm{d}}\lambda \text{。} $

其中： $ \omega $ 为红外热成像仪的工作角度； $ b $ 为玻尔兹曼常数； $ \varepsilon (\lambda ) $ 为目标光谱、 $ {\tau _a}(\lambda ) $ 为空气的透过率； $ f(\lambda T) $ 用下式计算：

$ f(\lambda T) = \frac{{{c_1}}}{b}\frac{1}{{{{(\lambda T)}^5}\left( {{e^{{c_2}/\lambda T}} - 1} \right)}} 。$

将空气的透过率 $ {\tau _a}(\lambda ) $ 和目标光谱视为常数，可得红外成像仪的图像信号为：

$ {U_s}{\text{ = }}\frac{{\omega b{T^5}}}{\pi }\int_{{\alpha _1}}^{{\lambda _2}} {M*f} (\lambda T){\rm{d}}\lambda 。$

红外热像仪的工作过程完成了红外光和电信号的相互转换，常见的红外热成像仪由红外镜头、光栅、成像探测器等硬件组成，图2为红外热成像仪的原理图。

1.2 热敏电阻温度传感器

热敏电阻温度传感器的基本原理是利用金属、非金属、半导体等材料的热敏特性制作的传感器，热敏特性是指特定材料的电阻值随温度的改变也发生变化，常用的热敏材料分为金属热敏材料^[3]、合金热敏材料和半导体热敏材料，通常可以测量−200°C～+850°C温度范围内的目标，热电阻材料的电阻温度系数和电阻率是衡量该热电阻性能的关键指标。

1）金属热敏材料

常用的金属材料温度传感器包括铂电阻温度计、铜电阻温度计等，以铂电阻材料为例，其具有良好的化学稳定性，且电阻率灵敏度高，铂电阻材料的温度电阻特性如图3所示。

2）半导体热敏电阻材料

半导体材料是一种近年来新兴的特殊材料，半导体材料包括单晶、多晶、有机氧化物半导体等种类，半导体热敏电阻材料具有非常大的电阻温度系数，因此温度测量范围非常广，且由于半导体的优良特性，半导体热敏电阻材料的测温灵敏度非常高。

根据半导体的电阻温度特性，可以分为负电阻温度系数材料和正电阻温度系数材料。其中，负电阻温度系数材料的电阻随着温度的升高而降低，而正电阻温度系数材料的电阻随着温度的升高而升高，常用的钡陶瓷半导体材料是一种正电阻温度系数材料^[4]，在精密零部件的温度测量领域有成功的应用。

3）合金热敏电阻材料

合金热敏电阻材料同样具有较高的电阻温度系数，相对于金属热敏电阻材料，合金热敏电阻材料的优点在于：

①电阻率高，因此温度测量范围更广；

②电阻温度系数高，因此测量的精度更高；

③具有较小的应变系数，合金热敏材料的形状变化对热敏特性影响较小，因此具有一定的抗外界扰动性；

④电阻温度特性曲线稳定。

由于船舶机舱、甲板等位置的工作环境复杂，为了提高对船舶电气设备的温度检测质量，本文选用合金热敏电阻传感器采集船舶部分电气设备的温度，该传感器主要由热电阻元件、连接导线、密封装置等构成，结构剖面图如图4所示。

2 基于无线网络的船舶电气设备过热监测系统开发 2.1 基于无线网络的船舶电气设备过热监测系统整体设计

采用无线通信网络，将分散于船舶各个位置的温度传感器连成一体，并在最终控制终端进行温度监控。

基于Zigbee的电气设备过热监测系统基本原理如图5所示。

基于Zigbee的船舶电气设备过热监测系统可以实现以下功能：

1）电气设备温度实时采集功能

船舶电气设备温度的实时采集是基于Zigbee无线网络的船舶电气设备过热监测系统基本功能，分散于船舶机舱等位置的热敏温度传感器和红外成像仪进行现场的温度数据采集，采集的信息首先发送至Zigbee无线网络的Zigbee节点，然后通过无线网络发送至集控室计算机。现场温度采集的间隔时间和数据量由集控室计算机统一协调，确保温度信息的可靠性。

2）温度特性分析功能

基于Zigbee的船舶电气设备过热监测系统在完成温度数据采集后，在集控室计算机终端需要进行现场的温度特性分析，与设定的温度报警值作比较，若温度数据在允许的范围内，则继续进行温度采集，若温度数据超过了设定的报警值，则触发系统的报警功能，防止出现严重的事故。

3）传感器节点控制

为了保障温度数据采集的准确度^[2]，在基于Zigbee的船舶电气设备过热监测系统中，传感器节点的电源和功率控制非常重要。系统的传感器节点供电包括电池供电和外部供电2种，不论是哪种供电方式，传感器节点可以根据信号发射功率进行节能模式的激活，当信号发射功率较低时，节点在低功耗模式下运行。

4）信息的无线路由与传递功能

电气设备的温度数据首先通过传感器采集，然后发送至数据汇聚单元(Zigbee节点)，节点将数据通过路由器发送至中心控制计算机，完成温度信息的传递过程。

5）节点的动态休眠功能

节点的动态休眠特性同样也是一种节能机制，当传感器节点处于侦听状态时，其工作电流为20 mA，当传感器节点处于休眠状态时，其工作电流为5 mA，节能效果很明显。

6）预警功能

当集控室计算机发现温度传感器采集的温度超过了管理员设置的报警阈值时，会通过RS485总线触发声光报警装置，提醒集控室的用户。

7）数据存储功能。

2.2 Zigbee无线网络的协议栈设计

Zigbee无线网络的协议栈是进行数据传递的基础，主要由应用支持层、网络层、MAC层和物理层等组成，基本组成原理如图6所示。

在Zigbee协议栈中，数据接口和管理接口负责对上下层提供服务，通过发送服务原语来进行不同层次的模块调用。常用的Zigbee协议栈原语^[5]有以下4种：

1）请求原语

请求原语的后缀为.Request，表示请求服务，协议栈的不同层次接收.Request，然后分别进行响应。

2）指示原语

指示原语后缀为.Indication，表示协议栈中有某一任务正在执行。

3）响应原语

后缀为.Response，与请求原语相互对应。

4）确认原语

确认原语的后缀为.Confirm，协议栈中的模块接收.Request请求原语后，对原语的确认用.Confirm表示。

2.3 基于无线网络的船舶电气设备过热监测系统硬件设计

集控室计算机是基于Zigbee的船舶电气设备过热监测系统的核心，计算机需要对每一个采样间隔内的传感器温度数据进行采集、分析、保护逻辑判断、数据存储等功能，因此对于集控室计算机的性能有较高的要求。

本文针对电气设备过热监测系统的实际工作特性，采用KTDSP5087型号的DSP芯片作为数据处理芯片，64位架构ARMv8-A^[6]作为系统的控制核心，过热监测系统的硬件构成如图7所示。

温度传感器采用3V供电，信号采集和调制通过IC5芯片完成。

3 结　语

船舶电气设备的过热监测有助于提高电气设备的运行安全性，本文设计基于Zigbee无线通信网络的船舶电气设备过热监测系统，分别从温度采集传感器的原理、Zigbee通信网络的协议栈、监测系统的基本构成等方面进行了阐述。