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原文传递基于ZigBee的船舶气囊下水气压监测系统及节能研究

论文题名：	基于ZigBee的船舶气囊下水气压监测系统及节能研究
关键词：	船舶气囊;下水过程;气压监测系统;无线传感器网络
摘要：	船舶使用气囊下水是我国首创的下水方式，其具有投资成本低、下水效率高且灵活方便等优势，目前已被广泛应用于各类造船厂。气囊在船舶下水准备过程中一直处于高压状态，一旦破裂会导致船底或螺旋桨等突出部件损坏，甚至造成人员伤亡，因此需要对气囊气压进行实时监测。传统的船舶下水施工过程采用人工巡检方式对气囊气压进行监测，存在读数易错、反馈滞后及人工成本高等一系列缺陷。为解决上述问题，本文建立了基于ZigBee的船舶气囊下水气压监测系统，利用无线传感器网络对气囊气压进行数据采集与分析，实时监测每个气囊的气压并进行异常情况报警。另外，由于无线传感器设备安装在气囊上，气囊随船舶移动导致无线传感器只能使用容量有限的电池供电。本文为提升无线传感器设备的续航能力，减少充电次数，进行了节能方法研究，优化了系统能耗。具体研究内容如下：　　（1）研究ZigBee无线通信技术，总结了ZigBee通信的技术特点、设备类型、拓扑结构及协议框架。同时，对无线传感器网络的研究现状进行调研，并对现有无线传感器网络的节能技术进行分析。　　（2）针对现有气囊气压监测方案的不足，研发了基于ZigBee的船舶气囊下水气压监测系统。针对终端设备进行有线充电导致结构复杂、插口易损坏的问题，设计了无线充电模块并进行模块化改进。同时，针对现有监测方案缺少可视化管理平台的问题，开发了监测系统上位机软件，并设计了本系统的通信指令，实现了ZigBee网络设备和气囊气压数据的实时管理和展示。　　（3）针对气压监测网络中终端节点的能量供给受限问题，提出一种基于多步预测的自适应采样算法。所提算法利用自回归模型在上位机和终端对气压数据进行同步预测，并利用步长更新机制进行自适应调整采样周期。实现了终端节点在满足气压数据准确的情况下自适应地降低采样频率和通信频率，从而降低能耗。　　（4）搭建气压监测系统实验平台，验证了监测系统的软、硬件功能。实验结果表明，ZigBee设备工作正常，上位机软件实现了节点管理功能及实时获取并展示各终端节点上传的气压数据的功能，满足了设计需求。　　同时，基于实验平台获取3组气压数据样本对所提节能算法进行验证，分析了算法的节能效果与气压数据拟合精度。实验结果表明，对于3组气压数据样本，本文所提算法在拟合结果RMSE值分别为0.141、0.115、0.068及MAE值分别为0.101、0.085、0.040的情况下，相比常规周期采样方式降低能终端节点的能耗39.93%、42.19%、45.46%。并且，相比于各对比算法，有更好的节能表现和更高的气压数据拟合精度。所提节能算法能够有效降低终端节点能耗，提升其续航能力。
作者：	曾培炎
专业：	仪器科学与技术
导师：	陈健
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2022