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基于无线传感器网络的船载机房环境监测系统设计分析

发表时间：2020/6/15 来源：《基层建设》2020年第6期作者：丁作鹏

[导读] 摘要：文章主要针对基于无线传感网络的船载机房环境监测系统设计进行系统研究，先分析了开展船载机房环境监测必要性，随后介绍了无线传感器网络主要特征，随后介绍了以无线传感器网络为基础的船载机房环境监测系统设计，包括总体设计、无线传感网络构建、传感器选型、软件设计、功能实现、优势分析，希望能给相关人士提供有效参考。

        上海擎天电子科技有限公司上海 200000
        摘要：文章主要针对基于无线传感网络的船载机房环境监测系统设计进行系统研究，先分析了开展船载机房环境监测必要性，随后介绍了无线传感器网络主要特征，随后介绍了以无线传感器网络为基础的船载机房环境监测系统设计，包括总体设计、无线传感网络构建、传感器选型、软件设计、功能实现、优势分析，希望能给相关人士提供有效参考。
        关键词：无线传感器；船载机房；环境监测
        前言：因为震动、高湿、高温等外在因素影响，导致船载设备经常会出现各种故障问题。为此需要进一步加强机房环境监测。结合无线传感网络，对监测系统进行设计，能够对机房内的湿度、温度以及浸水状态等进行实时监测控制，掌握相关报警信息，确保机房设备能够一直处于一种安全状态之下。监测中心内的应用服务器以及数据处理装置，能够针对不同监测点相关数据实施有效的分析处理，直观呈现。
        一、开展船载机房环境监测的必要性
        开展船载机房环境监测的必要性在于：第一，及时识别船载设备故障。船载设备所处环境较为特殊，设备运行期间，容易受到频繁振动、浪涌、高湿等特殊因素的影响，而出现相应故障问题。船载机房环境监测的实施，可为船载设备故障预测及识别提供良好支持。第二，保障船载设备故障处理、修复的及时性。针对船载设备开展船载机房环境监测后，工作人员可于第一时间发现某种或多种设备的异常运行问题，并结合设备故障表现、故障原因等尽快进行处理，进而恢复船载设备的正常运行。
        二、无线传感器网络的特征
        无线传感器网络的特征体现为：
        （一）以数据为核心特征
        无线传感器网络相关应用核心功能便是对各种信号进行传递，传感器所采集到的各种设备数据信息需要顺利传输到监控中心，而数据传输工作在整个工作流程当中，也是能耗最大的部分。无线传感器网络中的路由器装置拥有强大的数据转化功能[1]。为了提高数据的准确性，传感器密度节点也相对较高。由此能够看出无线传感器网络术语一种数据为核心的信息传输网络。
        （二）自组织特征
        传感器节点在实际操作中会被现实应用场景所影响，存在明显限制，无法针对节点位置进行准确设定。出于此，为了进一步提升无线传感器网络相关数据传输效率，无线传感器网络需要具备良好的自组织功能，针对各个传感器节点中的信息转化和管理工作需要进行合理的优化配置。无线传感器网络内自组织特性主要是以相关拓扑控制机制为主，同时还离不开动态路由器相关硬件设备的有效支持。
        （三）面向应用场景特征
        无线传感器网络具有较强的适用性，能够有效融入到多样工业领域当中，并联系应用场景之间的差异，自主做好调整配置工作。对于不同的应用场景，可以选择不同形式的传感器分布密度、节点配置以及网络传输协议，进行灵活搭配[2]。由此能够看出无线传感网络的广泛适用性。因为无线传感网络中针对信息主要是选择分布式处理机制，所以拥有较高的信息处理水平。
        三、基于无线传感器网络的船载机房环境监测系统设计
        这里主要从以下几方面入手，针对基于无线传感器网络的船载机房环境监测系统设计进行分析：
        （一）总体设计方面
        根据船载机房环境监测工作的要求，可利用无线传感器网络这一基础，将监测系统设计为：由用户终端、数据处理服务器、传输网络（IP）、环境参数传感器构成监测系统。其中，用户终端直接面向船载机房工作人员，其功能为：通过友好界面向工作人员展示相关环境信息，并根据环境参数的分析结果适时发出警报（提示船载设备故障）。数据处理服务器则是整个环境监测系统的核心所在。该部分的功能为：将来自环境参数传感器的环境数据汇总、储存，并实时进行分析处理，从中筛查出异常数据，转化为故障信号，传输至用户终端进行显示，具体数据传输机制如图1所示。传输网络是监测系统的信号传输通道，其主要负责汇总相关无线微基站发出的数据信息，并针对各类数据进行传输、转发。环境参数传感器是监测系统的数据采集机制。监测系统运行时，布设于船载机房各部位的环境参数传感器可动态收集船载设备的湿度、振动等原始数据，为船载设备运行状态、安全性的评估提供支持。

        图 1 服务器的数据传输机制
        （二）无线传感器网络构建方面
        基于无线传感器网络的功能特征及监测系统的要求，可将监测系统中的无线传感器网络设置为：由簇头节点、微基站、适宜数量的数据中转站和数据采集装置，构成整个无线传感器网络，具体如图2所示。在这一网络结构中，数据采集装置为整个无线网络的基础，其主要通过数据采集模块，收集来自周围环境的数据信息，并按照无线传感器网络的通信路由协议，将所采集数据传输至微基站或簇头节点[3]。而簇头节点的功能则为：收集、整合来自各数据采集装置提供的原始环境数据，经过融合、分类处理后，将初步处理后的数据传输至微基站。数据中转站的运行机制则为：收集来自船载机房的环境参数，同步接收来自周围节点（数据采集装置）的环境信息，并将上述数据以转发或直接传输信息，转移至邻近数据中转站（与微基站间隔较短）或周围微基站中。

        图 2 无线传感器网络
        （三）传感器选型方面
        环境监测模式下，监测系统需采集多种不同类型的环境参数。为确保原始环境参数采集的准确性及全面性，需做好无线传感器的前期选型工作。考虑到船载机房的特殊环境，可从水浸无线传感器、湿温度无线传感器这两类范畴中，选择适宜类型的无线传感器，以确保无线传感器网络的正常运行。从湿温度传感器的环境参数收集要求及传感器布设状况来看，为确保监测系统布设合理性，可选用挂壁式湿温度传感器收集船载机房的湿度、温度信息；而在水浸传感器选择方面，相对于非接触式传感器而言，接触式传感器的光子接收及输出机制不易受全反射因素或环境因素的干扰，其所收集信息结果相对可靠。因此，可将这类传感器用于监测系统的设计中。
        （四）软件设计方面
        在监测系统中，软件设计与监测系统运行质量、功能的实现存在密切关联。为确保监测系统的正常运行，可按照如下模式，做好系统的软件设计：第一，工具选择。利用Lab Windows/CVI软件（系统：Microsoft Windows 2015）开展监测系统的软件设计。该工具的优势在于：在设计用户终端、数据服务器等部分时，可利用该软件提供的数据分析软件包以及数据库软件包等工具，快速完成监测系统各构成要素的开发与实现。第二，用户终端设计与开发。利用该软件中的TCP/UP开发包，实现用户终端的相关功能，即由数据处理服务器传出数据或发出指令后，经IP无线网络与用户终端建立连接，实现环境参数从服务器向用户终端的转化，同时，用户终端自动为船载机房工作人员显示相关环境监测结果。第三，数据处理服务器设计。利用该软件实现数据处理服务器的数据接收（读取）、环境参数识别及无线传输等相应功能。
        （五）功能实现方面
        在船载设备运行管理中，船载机房环境监测系统的功能以实时监控、故障报警等问题。上述功能的实现流程为：第一，实时监控。由环境参数传感器实时采集各设备的运行数据，经监测系统的传输网络传输至数据处理服务器中，由服务器的数据实时分析、处理，实现对船载机房内相关设备的实时化、动态化监控。第二，故障报警。监测系统运行期间，数据处理服务器实时向用户终端传输各类设备运行数据的分析结果。当服务器通过对原始环境数据的分析发现某种或多种数据超出监测系统预设监测阈值时，可将产生上述数据的船载设备判定为故障设备。此时，监测系统可借助用户终端这一媒介，以声音报警、弹出故障提醒窗口、发送电子邮件等形式，实现综合报警。对于船载机房工作人员而言，上述多途径报警模式，可充分确保工作人员于故障形成的第一时间，发现故障问题，并尽快进行修复。
        （六）优势分析方面
        实现上述监测系统设计方案后，从该系统的运行状况来看，这类系统的应用优势在于：第一，可准确识别故障。启动监测系统后，该系统可动态将采集的机房环境参数通过用户终端显示，满足船载机房工作人员的便捷化船载设备管理需求。第二，可保障通信安全。该系统以无线传感器网络为核心，无线传感器与数据处理服务器、服务器与用户终端间的数据传输安全均可得到良好保障。
        结论：综上所述，以无线传感器网络为基础的船载机房环境监测系统，针对机房环境拥有实时报警、监测功能。相关系统开发工作也可以进一步提升环境监测效果，相关维护人员也可以在值班室、设备控制中心、住舱等区域对机房环境参数进行按需查询，得到相应的警报信息，进一步提升机房维护效率
        参考文献：
        [1]余通,李纪平.抵抗内部攻击的无线传感器网络身份认证协议[J].福建电脑,2020,36(04):47-50.
        [2]蔡燕,陈加林.基于改进蚁群优化策略的无线传感器网络路由算法[J].内江师范学院学报,2020,35(04):52-56.
        [3]刘巍,杨美,阮芸星,等.基于邻居协助的无线传感器网络定位算法[J].计算机时代,2020(04):18-20.