一种基于超声波的船舶吃水自动测量系统的制作方法

本实用新型涉及智能航海技术领域，尤其是一种基于超声波的船舶吃水自动测量系统。

背景技术：

目前船舶吃水深度可以分为人工测量和自动测量。人工测量指的是由人工根据船舶的吃水标线来确定船舶的吃水深度，这种方法容易受天气、海浪波动、船体倾斜角度、测量人员主观因素等影响，精度不高，可追溯性较差。

船舶吃水深度自动测量主要有以下几种方法：安装在船体底部水箱在不同吃水深度时的压力不同，通过压力传感器测量水压并推算出吃水深度；利用摄像头拍摄船舶吃水线图像，利用自动识别技术读取吃水深度；利用激光反射测距原理测量吃水深度，这些自动测量方法能避免人工测量的弊端，使得测量结果具有较高的客观性。

但上述方法也有其缺点和局限性，按照船体底部水箱安装复杂繁琐，激光和图像测量在雾天等恶劣天气环境下容易造成精度偏差。利用超声波来测量船舶的吃水深度，具有适用范围广、方向性强、覆盖面大、安装便捷等优点，并且不受光线、电磁干扰等因素的影响。利用超声波来测量船舶的吃水深度是将超声波传感器安装在船舶两边的船舷处，利用超声波的测距原理测得船舶甲板到水面的距离，并根据船舶高度来换算成吃水深度，这样能简便、准确的测量出船舶的吃水深度。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于针对现有技术中识别船舶吃水操作繁琐、精度低、误差大等缺陷，提供一种基于超声波的船舶吃水自动测量系统。

本实用新型的具体方案为：一种基于超声波的船舶吃水自动测量系统，具有若干个超声波数据采集设备、云服务器和上位机；所述超声波数据采集设备内置有微控制器和与微控制器电源接口连接的供电设备，微控制器至少设有两个信号输入端口，并且分别对应连接有超声波传感器、温湿度传感器，微控制器的信号输出端口连接有无线上传模块，所述超声波传感器、温湿度传感器将收集的信息数据传输至微控制器，微控制器再通过无线上传模块将信息数据发送至云服务器；所述上位机通过网关访问云服务器，下载由无线上传模块发送至云服务器内的信息数据。

在船舶的船艏、船艉甲板处的外侧分别安装有一个超声波数据采集设备，在船舶两侧船舷的外侧也对称安装有四个超声波数据采集设备，每一个超声波数据采集设备均通过向外伸出的水平支架固定安装，并且保证超声波传感器的探头垂直向下。

微控制器还设有SD卡座，SD卡座内置有SD卡数据存储器，微控制器将超声波传感器、温湿度传感器传输的信息数据存储在SD卡数据存储器中。

无线上传模块为LoRa无线上传模块，网关与云服务器之间通过LoRa无线传输。

本实用新型具备的优势在于：

1、超声波传感器防水、抗干扰能力强、成本低、测量精度高、能达到毫米级；

2、整个测量系统结构简单、各个数据采集模块独立工作不相互干扰；

3、较其他传输方式，LoRa无线传输具有作用距离远、抗干扰能力强（误码率低）、耗能低和灵敏度高的特点，基于这些特点，微控制器与云服务器、云服务器与网关之间的信息传输更加稳定、可靠；

4、整个系统稳定可靠，可自动完成船舶平均吃水测量，测量实时性好，精度高。

附图说明

图1为本实用新型中六个超声波数据采集设备在船舶上的分布示意图；

图2为本实用新型的运行流程示意图。

图中：1-超声波数据采集设备，2-云服务器，3-上位机，4-船艏，5-船艉，6-船舷，7-超声波传感器，8-温湿度传感器，9-供电设备，10-微控制器，11-LoRa无线上传模块，12-SD卡数据存储器，13-网关。

具体实施方式

本实施例中，一种基于超声波的船舶吃水自动测量系统，具有云服务器2、上位机3和六个超声波数据采集设备1，其中两个超声波数据采集设备1分别安装在船艏4和船艉5的甲板处外侧，另外四个超声波数据采集设备1对称布置在船舶两侧船舷6甲板处的外侧（即每侧船舷6布置两个超声波数据采集设备1），为保证超声波数据采集设备1内的超声波传感器7能直接测量到水面上和减少测量误差，每一个超声波数据采集设备1通过向外伸出的水平支架固定安装，并且保证超声波传感器7的探头垂直向下，如图1所示。

本实施例中，在每一个超声波数据采集设备1内均包括超声波传感器7、温湿度传感器8、独立的供电设备9、微控制器10和LoRa无线上传模块11以及SD卡数据存储器12，其中超声波传感器7和温湿度传感器8分别与微控制器10的信号输入端口连接，供电设备9与微控制器10的电源接口连接，LoRa无线上传模块11与微控制器10的信号输出端口连接，SD卡数据存储器12插装在微控制器10的SD卡座，超声波数据采集设备1内主要部件的功能分别为：

（1）超声波传感器7用于实时测量并收集水线面至船舷6甲板处之间的垂直距离；

（2）供电设备9为微控制器10、超声波传感器7、温湿度传感器8、LoRa无线上传模块11和SD卡数据存储器12提供运行所需的电量；

（3）SD卡数据存储器12用于存储超声波传感器7和温湿度传感器8所收集的信息数据，以作备用；

（4）温湿度传感器8用来补偿超声波测量的数据误差，其原理为：

由于外界的温度和湿度会对超声波的传输速度造成影响，如果将超声波传输速度设定为常数，将会导致测量结果产生一定的误差，为补偿这一误差，采用温湿度传感器8对船舶航行环境的实时温度和湿度数据进行测量，并对误差进行补偿（具体可参见铜陵职业技术学院学报2017 年第2 期发表的《具有温湿度补偿的超声波测距系统设计》），其算法为：

上式中，c为误差补偿量；c0为声速在标准状态下的速度，取331.45m/s；t为测量温度（单位为K）；T0为273.5K；pw/p为测量的相对湿度。

本实施例中，超声波传感器7、温湿度传感器8将收集的信息数据传输至微控制器10，微控制器10再通过LoRa无线上传模块11将信息数据发送至云服务器2；

在数据应用层面，上位机3通过串口连接有网关13，网关13与云服务器2之间通过LoRa无线通讯，为此，上位机3登录网关的IP地址访问云服务器2，并在云服务器2中下载由每一个超声波数据采集设备1发送至云服务器2内的信息数据（即超声波传感器7和温湿度传感器8测量的数据），并通过以下算法精确的计算出船舶平均吃水，显示在上位机3的显示界面上。船舶平均吃水的算法如下式：

上式中，∆h为船舶平均吃水；H为船舶型深；h为每一个超声波传感器测量的水线面至船舷甲板处之间的垂直距离；c为温湿度误差补偿量。

本实施例中，微控制器10的型号选用stm32f103rct6，是32位ARM微控制器，拥有五个UART/USART串口、两个I2C接口、一个RS485串口、一个CAN接口、USB和开发电源接口以及SD/MMC卡座；

超声波传感器7的型号选用AJ-SR04M，直接与stm32f103微控制器其中一个UART/USART串口连接；

温湿度传感器8的型号选用SHT21，采用I2C总线与stm32f103微控制器与I2C接口连接；

LoRa无线上传模块11的型号选用ELI-MD-111B，直接与stm32f103微控制器其中一个UART/USART串口连接；

供电设备9的型号选用大容量锂聚合物电池，型号为DC-1298A，输出电压为5V，容量为2000mAh，直接与stm32f103微控制器的电源接口连接；

云服务器2为EasyLinkin网管云平台的网络服务器，该平台主要采用LoRaWAN协议的MAC协议栈功能；

网关13选用LoRun G500网关，该网管支持LoRaWAN协议，最远通讯距离为15km。