一种基于传感网络的智能船舶机舱监测系统的制作方法

本发明涉及智能测试领域，尤其涉及一种基于传感网络的智能船舶机舱监测系统。

背景技术：

随着船舶智能化发展，智能船舶技术受到国内外相关领域学者的广泛关注。中国船级社于2015年发布并于2016年3月1日生效的《智能船舶规范》对智能船舶的定义为：智能船舶指利用传感器、通信、物联网和互联网等技术手段，自动感知和获得船舶自身、海洋环境、物流及港口等方面的信息和数据，并基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理分析技术，在船舶航行、管理、维护保养和货物运输等方面实现智能化航行的船舶，以使船舶更加安全、更加环保、更加经济和更加可靠。现有技术中将智能船舶发展分为4个阶段，并认为当前智能船舶正处于由第1阶段。

机舱是船舶动力装置和辅助设备的运行场所，如何实时监测它们的运行状态和故障诊断一直是轮机自动化领域的关注重点。随着船舶逐渐进入智能化甚至是无人化时代，对机舱的智能化监测也提出了更高的要求。随着微电子技术及计算机技术的飞快发展，新型的船用柴油机电子控制技术也日益完善。现有的船用柴油机大多采用全气动型式，难以实现系统自动化检测功能。针对船舶运行海况区域恶劣，工况多而复杂等特点，同时又要求系统响应快，安全可靠，故引入计算机智能检测系统，使之船用柴油机具有控制检测功能强，调节精度高，反应灵敏度高的特点，大大提高了船用柴油机控制系统的自动化程度。柴油机转速传感器是用于检测船舶柴油机转速的一种常用传感器，为船舶电气控制系统提供与柴油机转数成比例的电脉冲信号，是柴油机安全、可靠、正常工作测试主要参数之一，为此传感器出厂前或用户在维护时，需对传感器自身质量和性能进行必要检测。传统检测装置基于手工操作，只能进行有限几个性能指标检测，存在精度不高和工作效率低下等缺点。

现有技术中，在对船舶航行过程中的参数进行测试时参数的类型单一，且测试精度不高，特别不能准确测得振动信号的总能量，无法全面的体现船舶航行过程中机舱内工况图像信息、柴油机参数、船身振动参数、温湿度等参数，进而不能实现对船舶在航行过程中动力装置的“内”和“外”跨模态参数进行统一且高精度测试。

技术实现要素：

1、所要解决的技术问题：

现有技术中，在对船舶航行过程中的参数进行测试时参数的类型单一，且测试精度不高，特别不能准确测得振动信号的总能量，无法全面的体现船舶航行过程中机舱内工况图像信息、柴油机参数、船身振动参数、温湿度等参数，进而不能实现对船舶在航行过程中动力装置的“内”和“外”跨模态参数进行统一且高精度测试。

2、技术方案：

为了解决以上问题，本发明提供了一种基于传感网络的智能船舶机舱监测系统，包括振动监测模块和中央处理装置，所述振动传感器用于采集船舶船体各个测试点的振动信号，还设有信号处理电路，所述信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，所述振动传感器的输出端与所述信号放大单元的输入端连接，所述信号放大单元的输出端与所述信号滤波单元的输入端连接，所述信号滤波单元的输出端与所述中央处理装置的输入端连接，所述信号处理电路对采集到的振动信号进行信号处理后传输至所述中央处理装置，所述中央处理装置将接收到的振动信号转换为离散信号后进行数据分析计算所述振动传感器采集的振动信号的总能量e。

还包括比较模块和报警模块，所述比较模块的输入端与所述中央处理装置的输出端连接，所述比较模块的输出端与所述报警模块的输入端连接，所述中央处理装置将船舶振动的总能量e传输至所述比较模块，所述比较模块内存储有船舶振动的总能量阈值，若所述比较模块接收到的船舶振动的总能量e大于或等于船舶振动的总能量阈值，则所述比较模块输出第一控制信号至所述报警模块，所述报警模块接收到第一控制信号后进行报警作业，若所述比较模块接收到的船舶振动的总能量e小于船舶振动的总能量阈值，则所述比较模块输出第二控制信号至所述报警模块，所述报警模块接收到第二控制信号后不进行报警作业。

所述振动监测模块包括n个同型号的振动传感器，所述n个同型号的振动传感器均匀设置于船舶船体上，n为大于1的自然数，所述n个同型号的振动传感器采集的振动信号均传输至所述信号处理电路，所述中央处理装置分析计算得到振动信号的总能量e的方法为：

步骤1：中央处理装置将n个同型号的振动传感器在同一采样频率下，在采样时间t内各采集h个振动信号，h为大于1的整数，其中，第i个振动传感器的第j个数据为sij，i为大于等于1且小于等于n的整数，j为大于等于1且小于等于j的整数，计算第i个振动传感器的第j个数据的有效率kij为：

其中，

步骤2：计算第i个振动传感器的第j个数据的权值aij，其中，

步骤3：计算总能量e，其中，

还包括工况图像采集模块和图像处理模块，所述图像采集模块的输出端与所述图像处理模块的输入端连接，所述图像处理模块的输出端与所述中央处理装置的输入端连接。

所述图像处理模块包括第一处理单元、第二处理单元以及第三处理单元，所述第一处理单元补偿所述工况图像采集模块采集到的图像的轮廓，以增强图像的边缘及灰度跳变的部分，使图像变得更加清晰，所述第二处理单元对经过所述第一处理单元处理后的图像亮度进行平缓渐变，减小突变梯度，从而改善图像质量，所述第三处理单元对经过所述第二处理单元处理后的图像进行清晰度增强处理，所述工况图像采集模块的输出端与所述第一处理单元的输入端连接，所述第一处理单元的输出端与所述第二处理单元的输入端连接，所述第二处理单元的输出端与所述第三处理单元的输入端连接，所述第三处理单元的输出端与所述中央处理装置的输入端连接，将工况图像采集模块传输至图像处理模块的图像定义为二维函数f(x,y)，其中x、y是空间坐标，第一处理单元补偿工况图像采集模块采集到的图像的轮廓，以增强图像的边缘及灰度跳变的部分，使图像变得更加清晰，经过第一处理单元处理后的图像二维函数为g(x,y)，其中，

第二处理单元对经过第一处理单元处理后的图像亮度进行平缓渐变，减小突变梯度，从而改善图像质量，经过第二处理单元处理后的图像二维函数为h(x,y)，平滑函数为q(x,y)，其中，

h(x，y)＝q(x，y)*g(x，y)；

其中，﹡为卷积符号，σ为自定义可调常数，平滑的作用是通过σ来控制的；

第三处理单元对经过第二处理单元处理后的图像进行清晰度增强处理，经过第三处理单元处理后的图像二维函数为s(x,y)，其中，

第三处理单元将图像s(x,y)传输至中央处理装置。

还包括机舱温湿度监测模块、柴油机监测模块，所述机舱温湿度监测模块、柴油机监测模块的输出端都和中央处理装置连接，所述柴油机监测模块包括柴油机进水温度监测模块、柴油机出水温度监测模块、柴油机机油温度监测模块、柴油机机油压力监测模块、柴油机排气温度监测模块、柴油机转速监测模块、柴油机扭矩监测模块以及柴油机油耗监测模块。

还包括显示模块和存储模块，所述显示模块的输入端以及存储模块的输入端均与中央处理装置的输出端连接，所述中央处理装置将船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机参数值以及图像信息传输至显示模块进行显示，所述中央处理装置将船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机参数值以及图像信息传输至存储模块进行存储。

还包括无线传输模块和远程监测模块，中央处理装置通过无线传输模块与远程监测模块连接，所述中央处理装置将船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机参数值以及图像信息通过无线传输模块传输至远程监测模块。

所述信号放大单元包括集成运放a1-a4、电容c1-c6、二极管d1-d3、三极管vt1-vt2、vt4-vt5、场效应管vt3、vt6-vt7和电阻r1-r20；所述振动传感器的输出端与集成运放a1的同相输入端连接，电阻r1的一端与+1.5v电源连接，电阻r1的另一端与集成运放a2的同相输入端连接，电阻r3的一端接地，电阻r3的另一端与电阻r1的另一端连接，电容c1的一端接地，电容c1的另一端与集成运放a2的反相输入端连接，电阻r1的另一端还与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与集成运放a2的输出端连接，电阻r4的一端与集成运放a2的反相输入端连接，电阻r4的另一端与集成运放a2的输出端连接，电阻r4的另一端与电容c2的一端连接，电阻r4的另一端与电阻r7的一端连接，电阻r4的另一端还与集成运放a3的反相输入端连接，电阻r6的一端接地，电阻r6的另一端与集成运放a3的同相输入端连接，电阻r5的一端与+1.5v电源连接，电阻r5的另一端与电阻r6的另一端连接，电阻r7的另一端与三极管vt1的基极连接，三极管vt1的发射极接地，电容c2的另一端与三极管vt1的集电极连接，电容c2的另一端还与三极管vt2的发射极连接，电容c3的一端接地，电容c3的另一端与三极管vt4的发射极连接，电容c3的另一端与电阻r12的一端连接，电容c3的另一端还与三极管vt2的集电极连接，电阻r8的一端与集成运放a3的输出端连接，电阻r8的另一端与三极管vt2的基极连接，电阻r9的一端接地，电阻r9的另一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r9的另一端与集成运放a1的输出端连接，集成运放a1的反相输入端与集成运放a1的输出端连接，二极管d1的阳极接地，二极管d1的阴极与电阻r10的一端连接，二极管d1的阴极与场效应管vt3的栅极连接，二极管d1的阴极与电容c4的一端连接，二极管d1的阴极还与三极管vt4的集电极连接，电阻r10的另一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r10的另一端还与场效应管vt3的漏极连接，电阻r12的另一端与三极管vt4的基极连接，电阻r12的另一端还与电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与三极管vt4的集电极连接，三极管vt5的发射极与+1.5v电源连接，电阻r14的一端与采样控制端连接，当采样控制端输入电压为1v时，所述信号放大电路对输入电压v0进行放大作业，否则，则所述信号放大电路不工作，电阻r14的另一端与电阻r15的一端连接，电阻r14的另一端与电阻r13的一端连接，电阻r14的另一端还与三极管vt5的基极连接，电阻r13的另一端与+1.5v电源连接，电容c5一端接地，电容c5的另一端与场效应管vt3的源极连接，电容c5的另一端与场效应管vt6的栅极连接，电阻r15的另一端与二极管d2的阳极连接，二极管d2的阴极接地，电阻r15的另一端还与电容c4的另一端连接，电阻r17的一端接地，电阻r17的另一端与集成运放a4的同相输入端连接，电阻r17的另一端还与电阻r16的一端连接，电阻r16的另一端与场效应管vt6的源极连接，场效应管vt6的漏极与+1.5v电源连接，电阻r19的一端接地，电阻r19的另一端与集成运放a4的反相输入端连接，电阻r19的另一端与电容c6的一端连接，电阻r19的另一端还与电阻r18的一端连接，电阻r18的另一端与场效应管vt7的源极连接，场效应管vt7的漏极与+1.5v电源连接，电容c6的另一端与集成运放a4的输出端连接，电容c6的另一端还与二极管d3的阳极连接，电阻r20的一端接地，电阻r20的另一端与二极管d3的阴极连接，电阻r20的另一端还与场效应管vt7的栅极连接，场效应管vt7的栅极与所述信号滤波单元的输入端连接。

所述信号滤波单元包括电阻r21-r25、电容c7-c9以及集成运放a5；所述信号放大单元的输出端与电阻r21的一端连接，电阻r21的一端与电容c8的一端连接，电阻r21的另一端与电容c7的一端连接，电阻r21的另一端还与电阻r22的一端连接，电容c8的另一端与电容c9的一端连接，电阻r23的一端接地，电阻r23的另一端与电容c8的另一端连接，电容c9的另一端与电阻r22的另一端连接，电阻r22的另一端与集成运放a5的同相输入端连接，电容c7的另一端与集成运放a5的输出端连接，电阻r25的一端接地，电阻r25的另一端与集成运放a5的反相输入端连接，是按照r25的另一端还与电阻r24的一端连接，电阻r24的另一端与集成运放a5的输出端连接，集成运放a5的输出端与所述中央处理装置的输入端连接，所述信号滤波单元将电压信号v1传输至所述中央处理装置。

3、有益效果：

(1)本发明提供基于传感网络的智能船舶机舱监测系统，其利用机舱温湿度监测模块、振动监测模块、信号处理电路、柴油机监测模块、工况图像采集模块、图像处理模块、中央处理装置、比较模块、报警模块、显示模块、无线传输模块、远程监测模块以及存储模块对船舶在航行过程中的船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机参数值以及图像信息进行监测，其中通过振动监测模块和信号处理电路对振动信号进行精确测试，进而能够精确计算出船舶振动的总能量e，同时，柴油机参数值包括柴油机进水温度值、柴油机出水温度值、柴油机机油温度值、柴油机机油压力值、柴油机排气温度值、柴油机转速值、柴油机扭矩值以及柴油机油耗值，工作人员能够全面获知柴油机状态，还使用工况图像采集装置采集船舶机舱内图像信息，工作人员能够通过显示模块和远程监测模块获知船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机进水温度值、柴油机出水温度值、柴油机机油温度值、柴油机机油压力值、柴油机排气温度值、柴油机转速值、柴油机扭矩值、柴油机油耗值以及图像信息，并且能够通过存储模块获知历史数据。

(2)本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统，本发明的发明点还在于由于振动传感器采集的信号为微弱的电压信号，因而信号放大单元通过集成运放a1-a4、电容c1-c6、二极管d1-d3、三极管vt1-vt2、vt4-vt5、场效应管vt3、vt6-vt7和电阻r1-r20对振动传感器输出的电压信号v0进行放大处理，由集成运放a1-a4、电容c1-c6、二极管d1-d3、三极管vt1-vt2、vt4-vt5、场效应管vt3、vt6-vt7和电阻r1-r20构成的信号放大单元只有1.35μv/℃的漂移、2μv以内的偏移、100pa偏置电流和0.1hz到10hz宽带内3.25nv的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻r21-r25、电容c7-c9以及集成运放a5对经过放大后的电信号进行滤波处理，从而提高了振动检测的精度。

(3)本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统，图像处理模块包括第一处理单元、第二处理单元以及第三处理单元。其中，工况图像采集模块用于采集船舶在航行时船舶机舱内的图像信息，第一处理单元补偿工况图像采集模块采集到的图像的轮廓，以增强图像的边缘及灰度跳变的部分，使图像变得更加清晰，第二处理单元对经过第一处理单元处理后的图像亮度进行平缓渐变，减小突变梯度，从而改善图像质量，第三处理单元对经过第二处理单元处理后的图像进行清晰度增强处理，如此可高效、快速的提取工况图像采集模块的图像信息，可提高对船舶机舱内图像的辨识精度，通过多模态数据融合有效地减少误判情况发生。

附图说明

图1为本发明的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统的功能图；

图2为本发明的振动监测模块的功能图；

图3为本发明的柴油机监测模块的功能图；

图4为本发明的图像处理模块的功能图；

图5为本发明的信号处理电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于传感网络的智能船舶机舱监测系统，包括振动监测模块和中央处理装置，所述振动传感器用于采集船舶船体各个测试点的振动信号，还设有信号处理电路，所述信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，所述振动传感器的输出端与所述信号放大单元的输入端连接，所述信号放大单元的输出端与所述信号滤波单元的输入端连接，所述信号滤波单元的输出端与所述中央处理装置的输入端连接，振动监测模块将船舶在航行时的振动信号转换为电信号，并将表示船舶在航行时振动信号的电信号传输至信号处理电路进行信号处理，信号处理电路将处理后的电信号传输至中央处理装置，中央处理装置通过接收到的经过信号处理电路进行信号处理的表示船舶在航行时振动信号的电信号计算船舶振动的总能量e。由于通过振动监测模块和信号处理电路对振动信号进行精确测试，所以能够精确计算出船舶振动的总能量e。

为了更好的效果，还包括比较模块和报警模块，所述比较模块的输入端与所述中央处理装置的输出端连接，所述比较模块的输出端与所述报警模块的输入端连接，若比较模块接收到的船舶振动的总能量e大于或等于船舶振动的总能量阈值，则比较模块输出第一控制信号至报警模块，报警模块接收到第一控制信号后进行报警作业，若比较模块接收到的船舶振动的总能量e小于船舶振动的总能量阈值，则比较模块输出第二控制信号至报警模块，报警模块接收到第二控制信号后不进行报警作业。

如图2所示，所述振动监测模块包括n个同型号的振动传感器，所述n个同型号的振动传感器均匀设置于船舶船体上，n为大于1的自然数，所述n个同型号的振动传感器采集的振动信号均传输至所述信号处理电路。

中央处理装置将接收到的振动信号转换为离散信号后进行数据分析计算n个同型号的振动传感器采集的振动信号的总能量e，其中，计算总能量e的方法如下：

步骤1：中央处理装置将n个同型号的振动传感器在同一采样频率下，在采样时间t内各采集h个振动信号，h为大于1的整数，其中，第i个振动传感器的第j个数据为sij，i为大于等于1且小于等于n的整数，j为大于等于1且小于等于j的整数，计算第i个振动传感器的第j个数据的有效率kij为：

其中，

步骤2：计算第i个振动传感器的第j个数据的权值aij，其中，

步骤3：计算总能量e，其中，

还包括工况图像采集模块和图像处理模块，所述图像采集模块的输出端与所述图像处理模块的输入端连接，所述图像处理模块的输出端与所述中央处理装置的输入端连接。

如图4所示，图像处理模块包括第一处理单元、第二处理单元以及第三处理单元。工况图像采集模块用于采集船舶在航行时船舶机舱内的图像信息，工况图像采集模块的输出端与第一处理单元的输入端连接，第一处理单元的输出端与第二处理单元的输入端连接，第二处理单元的输出端与第三处理单元的输入端连接，第三处理单元的输出端与中央处理装置的输入端连接；第一处理单元补偿工况图像采集模块采集到的图像的轮廓，以增强图像的边缘及灰度跳变的部分，使图像变得更加清晰，第二处理单元对经过第一处理单元处理后的图像亮度进行平缓渐变，减小突变梯度，从而改善图像质量，第三处理单元对经过第二处理单元处理后的图像进行清晰度增强处理。如此可高效、快速的提取图像采集模块的图像信息，可提高对船舶机舱内图像的辨识精度，通过多模态数据融合有效地减少误判情况发生。

具体地，将工况图像采集模块传输至图像处理模块的图像定义为二维函数f(x,y)，其中x、y是空间坐标，第一处理单元补偿工况图像采集模块采集到的图像的轮廓，以增强图像的边缘及灰度跳变的部分，使图像变得更加清晰，经过第一处理单元处理后的图像二维函数为g(x,y)，其中，

第二处理单元对经过第一处理单元处理后的图像亮度进行平缓渐变，减小突变梯度，从而改善图像质量，经过第二处理单元处理后的图像二维函数为h(x,y)，平滑函数为q(x,y)，其中，

h(x,y)＝q(x，y)*g(x，y)；

其中，﹡为卷积符号，σ为自定义可调常数，平滑的作用是通过σ来控制的；

第三处理单元对经过第二处理单元处理后的图像进行清晰度增强处理，经过第三处理单元处理后的图像二维函数为s(x,y)，其中，

第三处理单元将图像s(x,y)传输至中央处理装置。

还包括机舱温湿度监测模块、柴油机监测模块，所述机舱温湿度监测模块、柴油机监测模块的输出端都和中央处理装置连接。

机舱温湿度监测模块将船舶机舱温湿度信号转换为电信号，并将表示船舶机舱温湿度信号的电信号传输至中央处理装置，中央处理装置将接收到的表示船舶机舱温湿度信号的电信号转换为船舶机舱温湿度值。柴油机监测模块将船舶柴油机参数转换为电信号，并将表示船舶柴油机参数的电信号传输至中央处理装置，中央处理装置将接收到的表示船舶柴油机参数的电信号转换为柴油机参数值。

如图3所示，柴油机监测模块包括柴油机进水温度监测模块、柴油机出水温度监测模块、柴油机机油温度监测模块、柴油机机油压力监测模块、柴油机排气温度监测模块、柴油机转速监测模块、柴油机扭矩监测模块以及柴油机油耗监测模块。

其中，柴油机进水温度监测模块将检测到的柴油机进水温度信号转换为电信号，柴油机出水温度监测模块将检测到的柴油机出水温度信号转换为电信号，柴油机机油温度监测模块将检测到的柴油机机油温度信号转换为电信号，柴油机机油压力监测模块将检测到的柴油机机油压力信号转换为电信号，柴油机排气温度监测模块将检测到的柴油机排气温度信号转换为电信号，柴油机转速监测模块将检测到的柴油机转速信号转换为电信号，柴油机扭矩监测模块将检测到的柴油机扭矩信号转换为电信号，柴油机油耗监测模块将检测到的柴油机油耗转换为电信号，柴油机监测模块将表示柴油机进水温度的电信号、表示柴油机出水温度的电信号、表示柴油机机油温度的电信号、表示柴油机机油压力的电信号、表示柴油机排气温度的电信号、表示柴油机转速的电信号、表示柴油机扭矩的电信号以及表示柴油机油耗的电信号传输至中央处理装置，中央处理装置将接收到的表示柴油机进水温度的电信号、表示柴油机出水温度的电信号、表示柴油机机油温度的电信号、表示柴油机机油压力的电信号、表示柴油机排气温度的电信号、表示柴油机转速的电信号、表示柴油机扭矩的电信号以及表示柴油机油耗的电信号对应转换为柴油机进水温度值、柴油机出水温度值、柴油机机油温度值、柴油机机油压力值、柴油机排气温度值、柴油机转速值、柴油机扭矩值以及柴油机油耗值。

还包括显示模块和存储模块，所述显示模块的输入端以及存储模块的输入端均与中央处理装置的输出端连接，所述中央处理装置将船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机参数值以及图像信息传输至显示模块进行显示，所述中央处理装置将船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机参数值以及图像信息传输至存储模块进行存储。

还包括无线传输模块和远程监测模块，中央处理装置通过无线传输模块与远程监测模块连接，所述中央处理装置将船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机参数值以及图像信息通过无线传输模块传输至远程监测模块。

如图5所示，信号放大单元包括集成运放a1-a4、电容c1-c6、二极管d1-d3、三极管vt1-vt2、vt4-vt5、场效应管vt3、vt6-vt7和电阻r1-r20。

其中，振动传感器的输出端与集成运放a1的同相输入端连接，电阻r1的一端与+1.5v电源连接，电阻r1的另一端与集成运放a2的同相输入端连接，电阻r3的一端接地，电阻r3的另一端与电阻r1的另一端连接，电容c1的一端接地，电容c1的另一端与集成运放a2的反相输入端连接，电阻r1的另一端还与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与集成运放a2的输出端连接，电阻r4的一端与集成运放a2的反相输入端连接，电阻r4的另一端与集成运放a2的输出端连接，电阻r4的另一端与电容c2的一端连接，电阻r4的另一端与电阻r7的一端连接，电阻r4的另一端还与集成运放a3的反相输入端连接，电阻r6的一端接地，电阻r6的另一端与集成运放a3的同相输入端连接，电阻r5的一端与+1.5v电源连接，电阻r5的另一端与电阻r6的另一端连接，电阻r7的另一端与三极管vt1的基极连接，三极管vt1的发射极接地，电容c2的另一端与三极管vt1的集电极连接，电容c2的另一端还与三极管vt2的发射极连接，电容c3的一端接地，电容c3的另一端与三极管vt4的发射极连接，电容c3的另一端与电阻r12的一端连接，电容c3的另一端还与三极管vt2的集电极连接，电阻r8的一端与集成运放a3的输出端连接，电阻r8的另一端与三极管vt2的基极连接，电阻r9的一端接地，电阻r9的另一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r9的另一端与集成运放a1的输出端连接，集成运放a1的反相输入端与集成运放a1的输出端连接，二极管d1的阳极接地，二极管d1的阴极与电阻r10的一端连接，二极管d1的阴极与场效应管vt3的栅极连接，二极管d1的阴极与电容c4的一端连接，二极管d1的阴极还与三极管vt4的集电极连接，电阻r10的另一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r10的另一端还与场效应管vt3的漏极连接，电阻r12的另一端与三极管vt4的基极连接，电阻r12的另一端还与电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与三极管vt4的集电极连接，三极管vt5的发射极与+1.5v电源连接，电阻r14的一端与采样控制端连接，当采样控制端输入电压为1v时，信号放大电路对输入电压v0进行放大作业，否则，则信号放大电路不工作，电阻r14的另一端与电阻r15的一端连接，电阻r14的另一端与电阻r13的一端连接，电阻r14的另一端还与三极管vt5的基极连接，电阻r13的另一端与+1.5v电源连接，电容c5一端接地，电容c5的另一端与场效应管vt3的源极连接，电容c5的另一端与场效应管vt6的栅极连接，电阻r15的另一端与二极管d2的阳极连接，二极管d2的阴极接地，电阻r15的另一端还与电容c4的另一端连接，电阻r17的一端接地，电阻r17的另一端与集成运放a4的同相输入端连接，电阻r17的另一端还与电阻r16的一端连接，电阻r16的另一端与场效应管vt6的源极连接，场效应管vt6的漏极与+1.5v电源连接，电阻r19的一端接地，电阻r19的另一端与集成运放a4的反相输入端连接，电阻r19的另一端与电容c6的一端连接，电阻r19的另一端还与电阻r18的一端连接，电阻r18的另一端与场效应管vt7的源极连接，场效应管vt7的漏极与+1.5v电源连接，电容c6的另一端与集成运放a4的输出端连接，电容c6的另一端还与二极管d3的阳极连接，电阻r20的一端接地，电阻r20的另一端与二极管d3的阴极连接，电阻r20的另一端还与场效应管vt7的栅极连接，场效应管vt7的栅极与信号滤波单元的输入端连接。

具体地，信号滤波单元包括电阻r21-r25、电容c7-c9以及集成运放a5。

其中，信号放大单元的输出端与电阻r21的一端连接，电阻r21的一端与电容c8的一端连接，电阻r21的另一端与电容c7的一端连接，电阻r21的另一端还与电阻r22的一端连接，电容c8的另一端与电容c9的一端连接，电阻r23的一端接地，电阻r23的另一端与电容c8的另一端连接，电容c9的另一端与电阻r22的另一端连接，电阻r22的另一端与集成运放a5的同相输入端连接，电容c7的另一端与集成运放a5的输出端连接，电阻r25的一端接地，电阻r25的另一端与集成运放a5的反相输入端连接，是按照r25的另一端还与电阻r24的一端连接，电阻r24的另一端与集成运放a5的输出端连接，集成运放a5的输出端与中央处理装置的输入端连接，信号滤波单元将电压信号v1传输至中央处理装置。

所述信号处理电路的噪声在3.25nv以内，漂移为1.35μv/℃，集成运放a1、a4的型号均为lm10，集成运放a2的型号为c1a1/2lt1018，集成运放a3的型号为c1b1/2lt1018，集成运放a5的型号为lt1192，场效应管vt3、vt6-vt7的型号均为2n4338，三极管vt1-vt2、vt4-vt5的型号均为2n3904，二极管d1-d3的型号均为1n914。

在信号放大单元中，电阻r1的阻值为1mω，电阻r2的阻值为1mω，电阻r3的阻值为330ω，电阻r4的阻值为330kω，电阻r5的阻值为1mω，电阻r6的阻值为100kω，电阻r7的阻值为20kω，电阻r8的阻值为20kω，电阻r9的阻值10kω，电阻r10的阻值为300kω，电阻r11的阻值为180kω，电阻r12的阻值为100kω，电阻r13的阻值为1mω，电阻r14的阻值为100kω，电阻r15的阻值为3.3kω，电阻r16的阻值为49.9kω，电阻r17的阻值为49.9kω，电阻r18的阻值为49.9kω，电阻r19的阻值为49.9kω，电阻r20的阻值为33kω，电容c1的电容值为1000pf，电容c2的电容值为2.2μf，电容c3的电容值为2.2μf，电容c4的电容值为1500pf，电容c5的电容值为0.0068μf，电容c6的电容值为180pf。

所述信号放大单元对传感器输出的电压信号响应速度快，其中，场效应管vt3作为采样保持开关，三极管vt4和vt5提供一种电平平移来驱动场效应管vt3的栅极，在发明中的信号放大单元中，为了降低电路的功耗，使用电容c4的前馈电路用于加快场效应管vt3快速开关其栅极，而不仅仅依靠三极管vt4和vt5的工作电流，集成运放a1用于驱动三极管vt1，集成运放a3反转集成运放a1的输出，并偏置三极管vt2，晶体管作为同步开关且电荷被传输至三极管vt2端的电容c3处，并在电容c3处产生一个负电位，所述信号放大单元显著提升了船舶微弱振动信号的检测精度。

信号放大单元中场效应管vt6-vt7设置为源极跟随器，所接电阻作为电平转换器以保持集成运放的输入在集成运放a1的共模范围内，因此，信号放大单元不仅能够对传感器采集的信号进行有效放大，并且放大后的信号平滑不失真。

在信号滤波单元中，电阻r21-r25的阻值、电容c7-c9的电容值为根据滤波需求进行设置。

本发明优选一组电阻r21-r25的阻值、电容c7-c9的电容值的值，其中，电阻r21的阻值为26.7kω，电阻r22的阻值为26.7kω，电阻r23的阻值为13.3kω，电阻r24的阻值为9.53kω，电阻r25的阻值为10kω，电容c7的电容值为200nf，电容c8的电容值为100nf，电容c9的电容值为100nf。

在本发明中，中心频率f0＝59.665hz。

由于振动传感器采集的信号为微弱的电压信号，因而信号放大单元通过集成运放a1-a4、电容c1-c6、二极管d1-d3、三极管vt1-vt2、vt4-vt5、场效应管vt3、vt6-vt7和电阻r1-r20对振动传感器输出的电压信号v0进行放大处理，由集成运放a1-a4、电容c1-c6、二极管d1-d3、三极管vt1-vt2、vt4-vt5、场效应管vt3、vt6-vt7和电阻r1-r20构成的信号放大单元只有1.35μv/℃的漂移、2μv以内的偏移、100pa偏置电流和0.1hz到10hz宽带内3.25nv的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻r21-r25、电容c7-c9以及集成运放a5对经过放大后的电信号进行滤波处理，信号滤波单元显著增强了船舶振动检测的辨识能力。

实施例1

本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统包括机舱温湿度监测模块、振动监测模块、信号处理电路、柴油机监测模块、工况图像采集模块、图像处理模块、中央处理装置、比较模块、报警模块、显示模块、无线传输模块、远程监测模块以及存储模块。

其中，机舱温湿度监测模块将船舶机舱温湿度信号转换为电信号，并将表示船舶机舱温湿度信号的电信号传输至中央处理装置，中央处理装置将接收到的表示船舶机舱温湿度信号的电信号转换为船舶机舱温湿度值，振动监测模块将船舶在航行时的振动信号转换为电信号，并将表示船舶在航行时振动信号的电信号传输至信号处理电路进行信号处理，信号处理电路将处理后的电信号传输至中央处理装置，中央处理装置通过接收到的经过信号处理电路进行信号处理的表示船舶在航行时振动信号的电信号计算船舶振动的总能量e，柴油机监测模块将船舶柴油机参数转换为电信号，并将表示船舶柴油机参数的电信号传输至中央处理装置，中央处理装置将接收到的表示船舶柴油机参数的电信号转换为柴油机参数值，工况图像采集模块用于采集船舶在航行时船舶机舱内的图像信息，并将采集到的图像信息传输至图像处理模块，图像处理模块对接收到的图像信息进行图像处理后传输至中央处理装置。

其中，机舱温湿度监测模块的输出端与中央处理装置的输入端连接，振动监测模块的输出端与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路的输出端与中央处理装置的输入端连接，柴油机监测模块的输出端与中央处理装置的输入端连接，工况图像采集模块的输出端与图像处理模块的输入端连接，图像处理模块的输出端与中央处理装置的输入端连接，比较模块的输入端、显示模块的输入端以及存储模块的输入端均与中央处理装置的输出端连接，比较模块的输出端与报警模块的输入端连接，中央处理装置通过无线传输模块与远程监测模块连接；中央处理装置将船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机参数值以及图像信息传输至显示模块进行显示，中央处理装置将船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机参数值以及图像信息传输至存储模块进行存储，中央处理装置将船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机参数值以及图像信息通过无线传输模块传输至远程监测模块；中央处理装置将船舶振动的总能量e传输至比较模块，比较模块内存储有船舶振动的总能量阈值，船舶振动的总能量阈值为人工根据船舶的吨位、风速、船舶速度以及水流速度而设定。

若比较模块接收到的船舶振动的总能量e大于或等于船舶振动的总能量阈值，则比较模块输出第一控制信号至报警模块，报警模块接收到第一控制信号后进行报警作业，若比较模块接收到的船舶振动的总能量e小于船舶振动的总能量阈值，则比较模块输出第二控制信号至报警模块，报警模块接收到第二控制信号后不进行报警作业。

上述实施方式中，利用机舱温湿度监测模块、振动监测模块、信号处理电路、柴油机监测模块、工况图像采集模块、图像处理模块、中央处理装置、比较模块、报警模块、显示模块、无线传输模块、远程监测模块以及存储模块对船舶在航行过程中的船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机参数值以及图像信息进行监测，其中通过振动监测模块和信号处理电路对振动信号进行精确测试，进而能够精确计算出船舶振动的总能量e，同时，柴油机参数值包括柴油机进水温度值、柴油机出水温度值、柴油机机油温度值、柴油机机油压力值、柴油机排气温度值、柴油机转速值、柴油机扭矩值以及柴油机油耗值，工作人员能够全面获知柴油机状态，还使用工况图像采集装置采集船舶在航行时机舱内图像信息，工作人员能够通过显示模块和远程监测模块获知船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机进水温度值、柴油机出水温度值、柴油机机油温度值、柴油机机油压力值、柴油机排气温度值、柴油机转速值、柴油机扭矩值、柴油机油耗值以及图像信息，并且能够通过存储模块获知历史数据。

在此，若比较模块接收到的船舶振动的总能量e小于船舶振动的总能量阈值，则比较模块输出第二控制信号至报警模块，报警模块接收到第二控制信号后不进行报警作业，通过发送第二控制信号以防止报警模块误动作。

本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统采用智能型数字温湿度传感器hdc1080，该传感器可以将温度直接转化为数字信号，避免了模拟量和数字量的转换。另外，本发明提供的基于传感网络的智能船舶应用总线技术，将智能传感器组成测温网络，由中央处理装置对每个节点进行控制，真正实现了船舶机舱温湿度的数字网络化监控，提高了温度测量精度和系统的抗干扰能力，较基于模拟量的温度监测系统更具优势。

机舱监测模块主要负责将布置在船舶机舱现场模块采集单元各通道的检查数据，并通过中央处理装置将采集的数据传输至显示单元上显示给轮机管理人员。

本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统还包括网络通信层，网络通信层是机舱温湿度监测模块、振动监测模块、信号处理电路、柴油机监测模块、工况图像采集模块、图像处理模块、比较模块、报警模块、显示模块、无线传输模块、远程监测模块以及存储模块和中央处理装置沟通的媒介。在船舶采集的各种数据通过网络通信层(也就是can总线)被中央处理装置读取。同时，中央处理装置发送的各种控制命令也通过该层传送到本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统的各个部件(机舱温湿度监测模块、振动监测模块、信号处理电路、柴油机监测模块、工况图像采集模块、图像处理模块、比较模块、报警模块、显示模块、无线传输模块、远程监测模块以及存储模块)。网络通信层的可靠性和抗干扰能力直接影响着本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统的性能。

本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统所采集的船舶机舱温湿度值、船舶振动的总能量e、柴油机进水温度值、柴油机出水温度值、柴油机机油温度值、柴油机机油压力值、柴油机排气温度值、柴油机转速值、柴油机扭矩值、柴油机油耗值以及图像信息通过无线传输单元传输至远程监测模块，远程监测模块位于地面站监测中心，供船运公司的机务部门实时了解船舶设备的工作状态，从而及时的指导轮机人员进行相应的预测性维护。

采用can总线内置的标识符的逐位仲裁方法避免多个监测模块同时发送数据时在总线上发生冲突的问题，同时各检测模块通过can总线的硬件芯片提供的本地过滤功能可以过滤掉一些和自己无关的数据帧。各监测模块采集所有数据信息，然后进行数据处理和判断。在中央处理装置访问该单元时，各监测模块就将其处理好的数据信息发送到can总线，经过can总线收发器被中央处理装置读取。中央处理装置读取了现场采集到的数据后，进行相关的分析和处理并通过显示单元显示给轮机管理人员或者通过无线传输模块发送到地面站。在未和中央处理装置通信期间，各监测模块进行定期巡检以保证各个监测点传感器正常工作。本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统的can收发器采用tja1051。

本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统可以实现的功能有：1)自动搜索各个监测模块所挂接的传感器数量和每个传感器对应的32位序列号；2)采集指定监测模块的数据并送中央处理装置处理；3)可以根据需要对各个传感器的采集优先级进行设置；4)还具备了更换传感器的功能，当通道的某个传感器出现故障时，只要在中央处理装置发送更换传感器指令和相应的模块及通道识别码，系统即可自动读取该通道位置的传感器32位序列号，进行数据采集，这样，不会影响其他模块的工作，系统也无需复位。

为了提高系统在船舶机舱这个复杂恶劣环境下工作的稳定性和减少外部电路，本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统采用st公司生产的stm32f732单片机。stm32f732单片机是一款高性能、低功耗的32位单片机，其内部集成有516kb的可编程flash程序存储器和256+16kb的sram。从稳定性和快速性考虑，本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统采用stm32f732单片机作为中央处理装置。

本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统的存储模块主要用来存储每个监测模块的地址信息和各个监测模块所挂接的传感器的数量、序列号、位置等相关的信息和所采集的数据。其中，传感器的序列号存放顺序决定了该模块所挂传感器采集的顺序。初始化时，现场监测模块中传感器序列号的排列是自动存储的，初始化结束后，可根据采集优先性的需要调整序列号的排列顺序，进而可以调整采集顺序。这就要求，掉电后序列号不能丢失并且排列顺序不能改变。按照上述要求，本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统的存储模块采用新型的铁电存储器fm22l16。fm22l16与stm32f732的fmsc接口相连，占用中央处理装置的管脚资源相对较少。

本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统采用can总线实现各个部件与中央处理装置的通信，can使用一对双绞线来实现多个采集单元联网，构成分布式系统。为了避免总线的信号混乱影响中央处理器的正常工作及保证can总线通信的可靠性，本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统的各个监测模块均采用光耦实现总线与现场采集传感器的隔离，保证了其运行的可靠性。本发明提供的基于传感网络的智能船舶机舱监测系统的高速光耦采用hcpl-2631。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。