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基于ZigBee的船舶气囊气压检测系统及节能研究
| 论文题名： | 基于ZigBee的船舶气囊气压检测系统及节能研究 |
| 关键词： | 船舶气囊;ZigBee技术;气压检测;同步休眠;功率控制;船舶下水技术 |
| 摘要： | 船舶气囊下水是中国首创的一种船舶下水技术，相较传统船舶下水技术具有经济性好、操作简便、无污染等优点，已是中小型船舶常用下水方式之一。下水作业过程中，气囊以阵列形式在船底布置，气囊受压状况关系到船舶的整体受力和气囊的使用寿命，为保障气囊下水作业顺利进行，需要对气囊的气压进行实时检测。传统方法是通过人工记录气囊的机械气压表数值实现气囊检测，该方法存在精度低、实时性差、安全性差、耗时长等缺点。本文提出了一种基于ZigBee的船舶气囊气压检测系统，通过部署在气囊上的终端设备进行气压检测，采用ZigBee网络将气压数据汇集并上传，最终在上位机显示气囊阵列的受压情况，从而实现对气囊气压的高效检测。此外，由于终端设备受下水场景限制采用电池供电，且船舶下水作业周期较长，为避免充能所带来的不便，本文根据现有的无线传感器网络节能方法和系统特点，设计一种同步休眠节能方案，有效降低了设备能耗。主要研究工作有以下几个方面： (1)介绍了本文课题背景及意义，阐述了ZigBee通信技术和无线传感器网络节能的国内外研究现状，对ZigBee技术的拓扑结构与协议规范进行详细分析，并归纳整理了现有无线传感器网络节能方法的原理和特点。 (2)根据船舶气囊下水场景需求，设计了气压检测系统的总体方案。对系统的功能、设备、网络需求进行分析，设计了系统的总体架构，介绍了关键器件的选型，完成了各节点设备的硬件和程序开发。最后，开发了对接ZigBee网络的上位机程序，可提供实时气压显示、设备管理等功能。 (3)针对终端设备的续航问题，提出了一种基于时间同步的同步休眠方案。该方案利用FTSP算法使全网时间同步，在时间同步基础上设计休眠机制，使终端设备有序工作与休眠，减少信道等待和数据重传造成的能量浪费，同时采用功率控制算法，在满足通信质量情况下降低发射功率，降低节点发送能耗。 (4)建立实验平台，对气压检测系统的性能进行测试。实验证明气压检测系统可实时显示终端设备采集的气压并对异常气压预警，且实测气压数据误差绝对值小于2kPa，符合场景需求。 同时，本文采用多个终端设备对同步休眠方案的进行验证，根据实测能耗变化分析休眠方案节能效果。实测证明，本文所用节能方案的累计能耗占比为9.19%，可降低终端设备53.98%的能耗，提高终端设备续航时间。另外，本文利用NS-2仿真软件测试气压检测系统在实际部署时的网络状况，从丢包率、重传率、传输时间方面测试了同步休眠方案的网络优化效果。 |
| 作者： | 许铭裕 |
| 专业： | 电子信息 |
| 导师： | 陈健;周立平 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 广东工业大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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