目前，國內(nèi)外對船舶艙室微氣候環(huán)境的研究處于起步階段，如：有學(xué)者通過對實(shí)船熱環(huán)境的系統(tǒng)研究和船員對熱環(huán)境的評價(jià)及滿意度調(diào)查，針對不同情況提出預(yù)計(jì)平均熱感覺指標(biāo)（predicted mean vote, PMV）的修正方程；有學(xué)者計(jì)算不同環(huán)境條件下的PMV-預(yù)測不滿意百分比（predicted percentage of dissatisfied, PPD）值及系統(tǒng)熱負(fù)荷，分析了船舶艙室溫濕度對其熱舒適性和能耗的影響；有學(xué)者采用振動(dòng)加速度指標(biāo)，針對船舶震動(dòng)、噪聲舒適度提出基于煩惱模型的評價(jià)方法。

適宜的艙室環(huán)境可以提高船員的工作效率，也能夠?yàn)槌丝吞峁└孢m的乘坐體驗(yàn)。與陸地環(huán)境不同，船舶由于空間限制，艙室內(nèi)往往緊密布置大量設(shè)備，通風(fēng)不暢，冷熱變化迅速。船舶艙室的熱環(huán)境受多方面因素的影響，包括船舶內(nèi)外的溫濕度、壓力、風(fēng)速、振動(dòng)、噪聲等。

傳統(tǒng)船舶艙室的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸主要通過現(xiàn)場總線、船舶電力線載波技術(shù)等有線傳輸方式。由于采集結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布線困難，該方式采集數(shù)據(jù)的可靠性、抗干擾性差，工作人員主要依據(jù)歷史數(shù)據(jù)評價(jià)艙室微氣候環(huán)境的舒適度。此外，有線數(shù)據(jù)傳輸方式也存在造價(jià)高、施工難度大、維修難度大等問題。而利用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將信息傳感設(shè)備實(shí)時(shí)采集到的船舶環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器中進(jìn)行環(huán)境舒適度評價(jià)，可以形成一個(gè)高效的網(wǎng)絡(luò)，極大地節(jié)省人力物力成本，方便管理和控制。

針對上述問題，東南大學(xué)等單位的研究人員提出基于LoRa技術(shù)的船舶環(huán)境舒適度評價(jià)系統(tǒng)，設(shè)置終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測艙室環(huán)境參數(shù)，從而及時(shí)反饋舒適度信息。隨著無線數(shù)據(jù)傳輸方式的快速發(fā)展，無線傳輸與船舶通信系統(tǒng)結(jié)合使得船舶環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)無線化、智能化，建立實(shí)時(shí)變化的舒適度評價(jià)系統(tǒng)已成為必然趨勢。

1 環(huán)境舒適度評價(jià)系統(tǒng)

環(huán)境舒適度評價(jià)系統(tǒng)將有助于構(gòu)建船舶艙室良好的微氣候環(huán)境，為船員、旅客提供舒適的工作與生活環(huán)境。人體在皮膚平均溫度和最佳排汗率都滿足舒適度要求時(shí)處于熱舒適的狀態(tài)。在已知環(huán)境溫度的情況下，可以根據(jù)戈夫-格雷奇公式計(jì)算飽和水蒸氣分壓力。

PMV是由人體所做的機(jī)械功、人體能量代謝率、服裝熱阻、環(huán)境溫度、平均輻射溫度、風(fēng)速、水蒸氣分壓力這7個(gè)參數(shù)計(jì)算而來的。其中，人體所做的機(jī)械功、人體能量代謝率和服裝熱阻需要根據(jù)艙室的功能以及人員在艙室內(nèi)的生活狀態(tài)來確定；環(huán)境溫度、平均輻射溫度和風(fēng)速可由每個(gè)艙室的終端節(jié)點(diǎn)采集；水蒸氣分壓力則要根據(jù)相對濕度和環(huán)境溫度進(jìn)行計(jì)算。最后得出的PMV值根據(jù)表1判斷。

表1 PMV七點(diǎn)式生理感覺標(biāo)尺

研究人員基于船舶的每個(gè)艙室構(gòu)建終端節(jié)點(diǎn)，如圖1所示，傳感器測量環(huán)境溫度、相對濕度、平均輻射溫度和風(fēng)速，利用LoRa技術(shù)將終端節(jié)點(diǎn)測量到的環(huán)境數(shù)據(jù)無線傳輸給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)打包接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)并發(fā)送到上層控制系統(tǒng)，從而構(gòu)建全船無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，頂層控制系統(tǒng)對接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析和環(huán)境舒適度評價(jià)。

圖1 基于LoRa技術(shù)的船舶環(huán)境舒適度評價(jià)系統(tǒng)

2 船舶艙室節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

為實(shí)時(shí)計(jì)算船舶各艙室的PMV值，需要終端節(jié)點(diǎn)測量環(huán)境溫度、相對濕度、平均輻射溫度和風(fēng)速4個(gè)參數(shù)。

環(huán)境溫度較高時(shí)，人體會(huì)感到燥熱和出汗；環(huán)境溫度較低時(shí)，人體會(huì)感到寒冷。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13409—92，選擇船舶起居處設(shè)計(jì)溫度為24℃，可根據(jù)季節(jié)、氣象條件和地區(qū)差異與變化作±3%的調(diào)整。

相對濕度是水蒸氣分壓力與同一溫度下飽和水蒸氣分壓力的比值，相對濕度過低時(shí)，人體表面皮膚容易干燥皸裂；相對濕度較高時(shí)，人體表面的汗液不容易揮發(fā)，會(huì)造成悶熱感和不適感。因此，相對濕度設(shè)置為50%，可根據(jù)季節(jié)、氣象條件和地區(qū)差異與變化作±5%的調(diào)整，此時(shí)人體舒適感較好。

船舶各艙室終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度傳感器選用DHT11溫濕度一體化模塊，其由1個(gè)電阻式測濕元件和1個(gè)負(fù)溫度系數(shù)（negative temperature coefficient, NTC）測溫元件組成，精度濕度±5%RH，溫度±2℃，量程濕度20%～90%RH，溫度0℃～50℃，可以滿足船舶環(huán)境的溫濕度測量要求。DHT11與ARM的電氣連接如圖2所示，由于在終端節(jié)點(diǎn)中兩者之間的距離小于20m，數(shù)據(jù)連接線上使用上拉電阻，其作用是傳感器待機(jī)時(shí)保持DATA口為高電平。

圖2 DHT11與ARM的電氣連接

DATA口處理ARM和DHT11之間的通信和同步，采用單總線、雙向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，每次通信約需要4ms，其數(shù)據(jù)格式見表2。校驗(yàn)和在數(shù)據(jù)傳輸正確時(shí)，為前四者之和的末8位，校驗(yàn)正確后DHT11將數(shù)據(jù)發(fā)出。

表2 DHT11數(shù)據(jù)傳輸格式

平均輻射溫度是指船舶艙室內(nèi)部各表面對人體有熱輻射作用的平均溫度，各表面的溫度和人與表面間的相對位置關(guān)系影響人體和各表面的輻射熱交換。實(shí)際船舶艙室內(nèi)各表面溫度并不相同，可以采用黑球溫度計(jì)測量平均輻射溫度。

風(fēng)速是指空氣流動(dòng)的速度，影響室內(nèi)空氣的更新速度和人體的對流換熱。對于船舶長期封閉的艙室環(huán)境來說，室內(nèi)空氣流通可以及時(shí)帶走機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣污染物和船員排出的二氧化碳，有利于構(gòu)建更適宜的艙室環(huán)境。由于本文主要研究的是船舶艙室內(nèi)部的熱舒適環(huán)境，艙室內(nèi)風(fēng)速取0.1m/s。

3 數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)

3.1 LoRa技術(shù)

LoRa技術(shù)是美國Semrtech企業(yè)研發(fā)的物理層技術(shù)，其窄帶擴(kuò)頻技術(shù)提升了抗干擾能力。作為目前主流的幾種無線數(shù)據(jù)傳輸方式之一，LoRa技術(shù)具有功耗低、成本低、覆蓋范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于傳輸距離較長且傳輸數(shù)據(jù)量較小的工作環(huán)境。

LoRa模塊可快速布設(shè)于船舶中，從而完善船舶的通信系統(tǒng)，甚至在船舶本身的通信系統(tǒng)故障時(shí)快速接入完成通信功能。在運(yùn)營商信號(hào)較弱的碼頭、海上等場景，LoRa技術(shù)優(yōu)勢明顯，可以為船舶提供優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，且投入成本較低、布設(shè)和維修難度較低、功耗較小，可在新舊船舶中廣泛應(yīng)用。

大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓?fù)?，其?yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)張快，但其節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)發(fā)消息迂回滯后，系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜，功耗也較大。LoRa技術(shù)采用星狀拓?fù)洌W(wǎng)關(guān)星狀連接終端節(jié)點(diǎn)，但終端節(jié)點(diǎn)并不綁定惟一網(wǎng)關(guān)，終端節(jié)點(diǎn)的上行數(shù)據(jù)可發(fā)送給多個(gè)網(wǎng)關(guān)，因此減少了信息傳遞的迂回通道，可以提高信息傳輸?shù)男省?/p>

因此，研究人員基于LoRa技術(shù)構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采集船舶艙室的環(huán)境參數(shù)。選用型號(hào)為ATK-LORA- 01的LoRa模塊，其工作頻率為410～441MHz，步進(jìn)信道為1MHz，共32個(gè)信道，發(fā)送AT指令即可配置串口速率、發(fā)射功率、空中速率、工作模式等模塊參數(shù)。

LoRa模塊與ARM的電氣連接如圖3所示。

圖3 LoRa模塊與ARM的電氣連接

該模塊為TTL電平，根據(jù)MD0和AUX引腳的狀態(tài)進(jìn)入不同的功能，見表3。

表3 ATK-LORA-01模塊功能

發(fā)送AT指令配置模塊為：串口波特率9600bit/s，空中速率19.2kbit/s，模塊地址0～65535，工作模式為一般模式，發(fā)送狀態(tài)為定向傳輸。采用定向傳輸功能，修改發(fā)送模塊的地址和信道即可指定數(shù)據(jù)發(fā)送到任意地址和信道，從而實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和中繼功能。

發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)格式為地址+信道+數(shù)據(jù)；接受模塊的數(shù)據(jù)格式為數(shù)據(jù)。

3.2 核心架構(gòu)

基于LoRa技術(shù)的船舶環(huán)境數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)利用各類傳感器、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等設(shè)施，采集船舶輔機(jī)艙室內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù)，為船舶環(huán)境舒適度評價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。

該系統(tǒng)的核心架構(gòu)層次包括3層，分別為艙室終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)。多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)網(wǎng)關(guān)，多個(gè)網(wǎng)關(guān)對應(yīng)一個(gè)上位機(jī)，構(gòu)建全船的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

如圖4所示，艙室終端節(jié)點(diǎn)包括ARM Cortex?- M4F處理器、DHT11模塊和LoRa發(fā)送模塊。DHT11模塊將測量到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到處理器中編碼處理后發(fā)送給LoRa發(fā)送模塊，通信方式為串口通信。LoRa發(fā)送模塊將環(huán)境數(shù)據(jù)無線傳輸給網(wǎng)關(guān)的LoRa接收模塊。

圖4 無線傳輸系統(tǒng)核心架構(gòu)層次

網(wǎng)關(guān)包括ARM Cortex?-M4F處理器、LoRa接收模塊和UART-WiFi（串口-無線）模塊。LoRa接收模塊在接收到環(huán)境數(shù)據(jù)后采用串口通信傳輸至ARM。UART-WiFi模塊的型號(hào)為ATK-ESP8266，采用串口與ARM通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換，與ARM的電氣連接如圖5所示。

圖5 UART-WiFi模塊與ARM的電氣連接

考慮到船舶上運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)信號(hào)并不穩(wěn)定，選擇UART-WiFi模塊工作在AP模式下，模塊本身作為熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與模塊的直接通信和局域網(wǎng)無線控制。上位機(jī)中的TLINK云平臺(tái)可顯示連接的所有終端節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)并繪制實(shí)時(shí)曲線圖。

3.3 網(wǎng)關(guān)配置

船舶艙室類型較多，不同功能艙室的環(huán)境舒適度要求存在差異，因此對環(huán)境舒適度評價(jià)采用分類評價(jià)的方式。將艙室數(shù)據(jù)分類傳輸至相應(yīng)網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)整合后，利用WiFi較快的傳輸速度將環(huán)境數(shù)據(jù)大批量發(fā)送至上位機(jī)，從而提高信息傳輸?shù)男省?/p>

ATK-LORA-01的空中速率最高為19.2kbit/s，傳輸距離為3km，可以覆蓋全船。ATK-ESP8266的無線傳輸速率最高可達(dá)54Mbit/s，傳輸距離為30m左右，應(yīng)將網(wǎng)關(guān)設(shè)置在上位機(jī)附近。計(jì)算得一個(gè)網(wǎng)關(guān)可以對應(yīng)2880個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中船舶終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)量并不會(huì)超過這個(gè)數(shù)字，因此每個(gè)網(wǎng)關(guān)對應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)主要考慮不同艙室環(huán)境數(shù)據(jù)分類的清晰化和管理的方便性。

船舶中需要進(jìn)行環(huán)境舒適度評價(jià)的艙室主要分為以下幾類：居住艙室、航行控制艙室、公共艙室、工作艙室、衛(wèi)生艙室、后勤艙室，其中公共艙室主要包括餐廳、休閑室，工作艙室包括會(huì)議室、指揮室等，后勤艙室包括廚房、洗衣房等。

全船設(shè)置4個(gè)網(wǎng)關(guān)，其中環(huán)境舒適度要求較高的居住艙室和航行控制艙室分別單獨(dú)使用一個(gè)網(wǎng)關(guān)，公共艙室、工作艙室共用一個(gè)網(wǎng)關(guān)，衛(wèi)生、后勤艙室共用一個(gè)網(wǎng)關(guān)。上位機(jī)采用輪巡加優(yōu)先級的方式對網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行管理，優(yōu)先傳輸居住艙室和航行控制艙室的環(huán)境數(shù)據(jù)，同級網(wǎng)關(guān)采用輪巡的方式進(jìn)行傳輸。

3.4 算例

ISO 7730中推薦PMV的適宜范圍為-0.5≤PWV≤0.5，考慮船舶環(huán)境的特殊性和提高船舶能源利用效率，本文針對不同功能的艙室，建立不同的PMV值評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表4。

表4 船舶艙室PMV值適宜范圍

在船舶中央控制室工作人員接收到各艙室的實(shí)時(shí)PMV值時(shí)，可根據(jù)表4判斷是否處于舒適范圍，并根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行后續(xù)的能量管理工作。

船舶環(huán)境舒適度評價(jià)系統(tǒng)將終端節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境溫度、相對濕度和根據(jù)艙室的特定功能以及人員在艙室中活動(dòng)的不同狀態(tài)確定的服裝熱阻、人體能量代謝率等參數(shù)代入計(jì)算，從而對船舶艙室的環(huán)境舒適度進(jìn)行實(shí)時(shí)評價(jià)，其理論模型如圖6所示。

圖6 環(huán)境舒適度評價(jià)系統(tǒng)理論模型

選取夏季某時(shí)刻船舶各典型艙室的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析。經(jīng)多次計(jì)算得知迭代30次后計(jì)算結(jié)果可達(dá)到穩(wěn)定，其PMV值計(jì)算結(jié)果見表5。根據(jù)表5可知，該算例中的居住艙室、衛(wèi)生艙室是符合環(huán)境舒適度評價(jià)要求的，其他艙室內(nèi)的人員會(huì)感到明顯不適，需船舶控制人員進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。

表5 夏季船舶艙室PMV值計(jì)算

總結(jié)

研究人員基于LoRa技術(shù)搭建了船舶艙室的環(huán)境舒適度評價(jià)系統(tǒng)，每個(gè)船舶艙室的終端節(jié)點(diǎn)傳感器采集該艙室的環(huán)境溫度、相對濕度、平均輻射溫度等環(huán)境參數(shù)，使用LoRa模塊無線發(fā)送到LoRa網(wǎng)關(guān)，再由WiFi發(fā)送至上位機(jī)，最后在頂層控制系統(tǒng)中進(jìn)行PMV值的計(jì)算和艙室環(huán)境舒適度評價(jià)。

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是LoRa技術(shù)可以依據(jù)自身需要搭建網(wǎng)絡(luò)部署，具有較強(qiáng)的實(shí)用性、可靠性和可擴(kuò)展性，在船舶環(huán)境數(shù)據(jù)的無線采集中有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，為船舶環(huán)境舒適度評價(jià)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

其次，可以實(shí)時(shí)判斷艙室內(nèi)微氣候環(huán)境的舒適度，實(shí)現(xiàn)船舶各艙室的大數(shù)據(jù)融合，并且本文有針對性地給出了每個(gè)艙室的PMV值范圍，便于船舶管理人員實(shí)時(shí)控制艙室輔機(jī)的風(fēng)機(jī)負(fù)荷、水泵負(fù)荷和空調(diào)系統(tǒng)等，提高全船的能源管理效率。

但是不同環(huán)境下環(huán)境舒適度存在一定的差異，船舶的舒適度也可以進(jìn)一步考慮搖擺、震動(dòng)、噪聲、空氣污染等影響因素。如何高效低成本地設(shè)立終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)測量這些影響因素并綜合考慮，建立新的、更符合我國船舶需要的船舶舒適度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也將成為以后研究的主流方向。

本文編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“基于LoRa技術(shù)的船舶環(huán)境舒適度評價(jià)系統(tǒng)”，作者為盧泉篠、王之民 等。