基于應(yīng)力傳感器的船閘系船鉤拉力檢測系統(tǒng)

郭強(qiáng)

摘 要：為了確保船舶?？堪踩?，目前船閘工作人員對于助航設(shè)施系船鉤的檢查采用人工定期巡檢方式，查看其狀況。本文結(jié)合船閘實(shí)際情況，設(shè)計(jì)基于應(yīng)力傳感器的系船鉤拉力檢測系統(tǒng)，對拉力數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用設(shè)置閾值的方法篩選異常數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對系船鉤異常松動報(bào)警，實(shí)時掌握系船鉤狀態(tài)，提升船閘安全管理水平和智能化程度。

關(guān)鍵詞：系船鉤 拉力檢測 閾值報(bào)警

近年來，隨著水運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，船舶運(yùn)量及船型均呈逐漸加大的趨勢，船舶實(shí)際通過量逐年增加，致使船閘運(yùn)行負(fù)荷逐年加大，從而導(dǎo)致直接參與船閘運(yùn)營的設(shè)備、零件的損壞率逐年上升。系船鉤是船閘中必不可少的附屬設(shè)施，在閘室或引航道中，通過纜繩系運(yùn)動船舶產(chǎn)生的作用力傳到系船鉤上，系船鉤提供反作用力制止船舶運(yùn)動，避免其撞擊閘門、閘墻。當(dāng)系纜動作不規(guī)范，船舶無法在閘室或引航道中穩(wěn)固，可能撞擊閘墻或閘門，對通航建筑物造成危害的同時還可能對系船鉤造成損壞?？赡軐?dǎo)致系船鉤的錨固螺栓或螺母失效，從而使整個鉤體部分松動或被拉脫。綜上所述，系船鉤的拉力檢測對閘室和船閘安全保障尤為關(guān)鍵，一種能實(shí)時采集系船鉤拉力參數(shù)并自動報(bào)警的系統(tǒng)具有極其重要的意義。

1.系船鉤巡檢現(xiàn)狀

船閘對于系船鉤采用人工定期巡檢方式，對系船鉤的監(jiān)測，會存在以下問題：

（1）缺乏實(shí)時監(jiān)管能力，無法24小時掌握其運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)生損壞不能及時響應(yīng)；（2）人工巡檢大多依靠經(jīng)驗(yàn)，無法客觀科學(xué)地記錄設(shè)施情況；（3）人工巡檢需要調(diào)用船舶進(jìn)行，費(fèi)時費(fèi)力。

2.基于應(yīng)力傳感器的系船鉤拉力檢測系統(tǒng)研發(fā)

通過安裝傳感器對系船鉤所受的拉力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，獲取拉力數(shù)據(jù)。對拉力數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并通過應(yīng)力檢測接口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，將數(shù)據(jù)發(fā)送到軟件系統(tǒng)，若檢測到數(shù)據(jù)超過設(shè)置的報(bào)警閾值，啟動報(bào)警。軟件系統(tǒng)會將傳感器數(shù)據(jù)記錄保存，生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表。實(shí)現(xiàn)對設(shè)施的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，延長設(shè)施生命周期，對設(shè)施狀況進(jìn)行智能評價。

2.1系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控。系統(tǒng)接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的系船鉤拉力數(shù)據(jù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到中心，從而實(shí)現(xiàn)對系船鉤狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測。

（2）實(shí)時數(shù)據(jù)顯示。主站服務(wù)器接收系船鉤在線監(jiān)測采集裝置發(fā)送的實(shí)時數(shù)據(jù)，以表格、圖形等形式顯示監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置報(bào)警閾值。

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。輔助工作人員進(jìn)行日常運(yùn)維檢修等工作。

（4）報(bào)表打印。支持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表打印輸出。

（5）監(jiān)控WEB。采用B/S模式，在通用web瀏覽器頁面上顯示實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，同時可在內(nèi)部網(wǎng)上發(fā)布系船鉤狀態(tài)的最新數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)。

（6）系統(tǒng)管理。各類系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、權(quán)限管理，外部數(shù)據(jù)接口管理。

2.2系統(tǒng)架構(gòu)

（1）系統(tǒng)選擇STM32F103作為系船鉤監(jiān)測模塊的主控制器。通過STM32可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力傳感器的信號采集和數(shù)據(jù)處理以及配置WiFi模塊，定時上傳應(yīng)力傳感器的采集數(shù)據(jù)。

（2）通過應(yīng)力檢測接口將拉力數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，通信接口為SPI接口，SPI是一種高速，全雙工，同步的通信總線。

（3）將數(shù)據(jù)發(fā)送到軟件系統(tǒng)，經(jīng)過篩選處理得到報(bào)警閾值，無線傳輸模塊采用ESP8266芯片，通過STM32的UART接口對ESP8266進(jìn)行配置連接上路由器，并且主動與服務(wù)器建立連接。STM32將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝后由ESP8266模塊發(fā)送給服務(wù)器，重復(fù)動作直到通信結(jié)束。

（4）檢測到數(shù)據(jù)超過設(shè)置的報(bào)警閾值，啟動報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警。

（5）軟件系統(tǒng)會將傳感器數(shù)據(jù)記錄保存，生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

（6）整個系統(tǒng)采用太陽能板結(jié)合鋰電池進(jìn)行供電，我們選用5V/140mA的鋰電池作為電源，滿足各模塊的功率需求，只需通過降壓模塊轉(zhuǎn)成3.3V恒定輸出，便可保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

2.3系統(tǒng)硬件

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。根據(jù)系船鉤監(jiān)測模塊的需求決定采用STM32單片機(jī)，STM32最高穩(wěn)定工作主頻72M，內(nèi)置硬件乘法器，可以進(jìn)行浮點(diǎn)型運(yùn)算的處理。不僅可以作為控制器，更可以作為處理器進(jìn)行使用，本項(xiàng)目中我們選擇STM32F103作為系船鉤監(jiān)測模塊的主控制器。該單片機(jī)有大量的系統(tǒng)資源和外部電路接口，有32位的中央處理單元，有Cortex？-M3嵌入式處理器，哈佛結(jié)構(gòu)，并且具有數(shù)據(jù)總線和指令總線獨(dú)立的特點(diǎn)，能提高CPU的執(zhí)行速度和數(shù)據(jù)的吞吐率。同時，它具有多功能的時鐘發(fā)生器，可擴(kuò)展的存儲空間，內(nèi)嵌2個12位數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，可連接16個外部通道。多種定時器功能，眾多的中斷資源，DMA功能，UA R T功能，且含有外部中斷等多重功用的MCU。

通過STM32可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力傳感器的信號采集和數(shù)據(jù)處理。以及配置W i F i模塊，定時上傳應(yīng)力傳感器的采集數(shù)據(jù)。當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)置的閾值時，發(fā)出警報(bào)。

（2）無線傳輸模塊。無線傳輸模塊采用ESP8266芯片，這款芯片使用了3.3V的直流電源，體積小，功耗低，支持透傳，丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重。芯片內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，具有兩種工作模式，分別為正常啟動模式和配置啟動模式。

（3）應(yīng)力檢測接口模塊。應(yīng)力傳感器的通信接口為SPI接口，需要在監(jiān)控模塊上設(shè)計(jì)一個SPI通信接口。SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，SPI接口一般使用4條線通信：MISO 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出；MOSI 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入；SCLK 時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生；CS 從設(shè)備片選信號，由主設(shè)備控制。

（4）電源模塊。在系船鉤監(jiān)測模塊的電路設(shè)計(jì)中，電源模塊有著極其重要的地位。只有電源穩(wěn)定，系船鉤監(jiān)測的各個模塊才能工作正常。在經(jīng)過前期的測試，發(fā)現(xiàn)傳感器、無線、主控制器所需電壓為3.3V。綜上要求，系統(tǒng)選用5V 140mA的太陽能電池作為電源。因?yàn)槠潴w積小重量輕，只有10克，但是可以滿足各模塊的功率需求。只需通過降壓模塊轉(zhuǎn)成3.3V恒定輸出，便可保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

3.結(jié)束語

基于應(yīng)力傳感器的系船鉤拉力檢測系統(tǒng)通過應(yīng)力傳感器，實(shí)現(xiàn)系船鉤的實(shí)時監(jiān)測，并對異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，實(shí)現(xiàn)全天候無人化在線監(jiān)測。大大降低了人工成本，減少人工巡檢產(chǎn)生的船舶調(diào)用費(fèi)用。在社會效益上，本系統(tǒng)的應(yīng)用，利用信息化手段規(guī)范了船閘養(yǎng)護(hù)工作，提高了養(yǎng)護(hù)管理水平；通過智能檢測技術(shù)優(yōu)化了養(yǎng)護(hù)工作流程，提供了閉環(huán)管理手段，有效的保障設(shè)施安全運(yùn)行，減少安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]王玉婷.基于單片機(jī)的車輛交通事故智能報(bào)警系統(tǒng)[J].科技風(fēng).2019（05）.

[2]劉洋.基于液體壓力測量的半連通式橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué).

[3]曹嵐，石磊.船閘機(jī)電系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國水運(yùn)（下半月）.2018（06）.

[4]馬楠.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的船閘監(jiān)控系統(tǒng)[J].科技信息.2012（26）.