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：有學者通過對實船熱環(huán)境的系統(tǒng)研究和船員對熱環(huán)境的評價及滿意度調(diào)查，針對不同情況提出預計平均熱感覺指標（predicted mean vote, PMV）的修正方程；有學者計算不同環(huán)境條件下的PMV-預測不滿意百分比（predicted percentage of dissatisfied, PPD）值及系統(tǒng)熱負荷，分析了船舶艙室溫濕度對其熱舒適性和能耗的影響；有學者采用振動加速度指標，針對船舶震動、噪聲舒適度提出基于煩惱模型的評價方法。

適宜的艙室環(huán)境可以提高船員的工作效率，也能夠為乘客提供更舒適的乘坐體驗。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備，通風不暢，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、風速、振動、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等有線傳輸方式。由于采集結構復雜、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，將信息傳感設備實時采集到的船舶環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器中進行環(huán)境舒適度評價，可以形成一個高效的網(wǎng)絡，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，東南大學等單位的研究人員提出基于LoRa技術的船舶環(huán)境舒適度評價系統(tǒng)，設置終端節(jié)點實時監(jiān)測艙室環(huán)境參數(shù)，從而及時反饋舒適度信息。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，建立實時變化的舒適度評價系統(tǒng)已成為必然趨勢。

1 環(huán)境舒適度評價系統(tǒng)

環(huán)境舒適度評價系統(tǒng)將有助于構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-格雷奇公式計算飽和水蒸氣分壓力。

PMV是由人體所做的機械功、人體能量代謝率、服裝熱阻、環(huán)境溫度、平均輻射溫度、風速、水蒸氣分壓力這7個參數(shù)計算而來的。其中，人體所做的機械功、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、平均輻射溫度和風速可由每個艙室的終端節(jié)點采集；水蒸氣分壓力則要根據(jù)相對濕度和環(huán)境溫度進行計算。最后得出的PMV值根據(jù)表1判斷。

表1 PMV七點式生理感覺標尺

研究人員基于船舶的每個艙室構建終端節(jié)點，如圖1所示，傳感器測量環(huán)境溫度、相對濕度、平均輻射溫度和風速，利用LoRa技術將終端節(jié)點測量到的環(huán)境數(shù)據(jù)無線傳輸給網(wǎng)關，網(wǎng)關打包接收到的環(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)進行計算分析和環(huán)境舒適度評價。

圖1 基于LoRa技術的船舶環(huán)境舒適度評價系統(tǒng)

2 船舶艙室節(jié)點數(shù)據(jù)采集

為實時計算船舶各艙室的PMV值，需要終端節(jié)點測量環(huán)境溫度、相對濕度、平均輻射溫度和風速4個參數(shù)。

環(huán)境溫度較高時，人體會感到燥熱和出汗；環(huán)境溫度較低時，人體會感到寒冷。依據(jù)國家標準GB/T 13409—92，選擇船舶起居處設計溫度為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，人體表面皮膚容易干燥皸裂；相對濕度較高時，人體表面的汗液不容易揮發(fā)，會造成悶熱感和不適感。因此，相對濕度設置為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，此時人體舒適感較好。

船舶各艙室終端節(jié)點的溫濕度傳感器選用DHT11溫濕度一體化模塊，其由1個電阻式測濕元件和1個負溫度系數(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時保持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欧绞剑看瓮ㄐ偶s需要4ms，其數(shù)據(jù)格式見表2。校驗和在數(shù)據(jù)傳輸正確時，為前四者之和的末8位，校驗正確后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系影響人體和各表面的輻射熱交換。實際船舶艙室內(nèi)各表面溫度并不相同，可以采用黑球溫度計測量平均輻射溫度。

風速是指空氣流動的速度，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)空氣流通可以及時帶走機器運轉(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)風速取0.1m/s。

3 數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)

3.1 LoRa技術

LoRa技術是美國Semrtech企業(yè)研發(fā)的物理層技術，其窄帶擴頻技術提升了抗干擾能力。作為目前主流的幾種無線數(shù)據(jù)傳輸方式之一，LoRa技術具有功耗低、成本低、覆蓋范圍廣、抗干擾能力強等優(yōu)點，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)故障時快速接入完成通信功能。在運營商信號較弱的碼頭、海上等場景，LoRa技術優(yōu)勢明顯，可以為船舶提供優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡服務，且投入成本較低、布設和維修難度較低、功耗較小，可在新舊船舶中廣泛應用。

大多數(shù)的網(wǎng)絡采用網(wǎng)狀拓撲，其優(yōu)點是網(wǎng)絡規(guī)模擴張快，但其節(jié)點之間轉(zhuǎn)發(fā)消息迂回滯后，系統(tǒng)架構復雜，功耗也較大。LoRa技術采用星狀拓撲，網(wǎng)關星狀連接終端節(jié)點，但終端節(jié)點并不綁定惟一網(wǎng)關，終端節(jié)點的上行數(shù)據(jù)可發(fā)送給多個網(wǎng)關，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技術構建無線傳感網(wǎng)絡，采集船舶艙室的環(huán)境參數(shù)。選用型號為ATK-LORA- 01的LoRa模塊，其工作頻率為410～441MHz，步進信道為1MHz，共32個信道，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

基于LoRa技術的船舶環(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)絡等設施，采集船舶輔機艙室內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù)，為船舶環(huán)境舒適度評價提供數(shù)據(jù)支撐。

該系統(tǒng)的核心架構層次包括3層，分別為艙室終端節(jié)點、網(wǎng)關和上位機。多個終端節(jié)點對應一個網(wǎng)關，多個網(wǎng)關對應一個上位機，構建全船的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。

如圖4所示，艙室終端節(jié)點包括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)關的LoRa接收模塊。

圖4 無線傳輸系統(tǒng)核心架構層次

網(wǎng)關包括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模塊的型號為ATK-ESP8266，采用串口與ARM通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，實現(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

考慮到船舶上運營商網(wǎng)絡信號并不穩(wěn)定，選擇UART-WiFi模塊工作在AP模式下，模塊本身作為熱點實現(xiàn)上位機與模塊的直接通信和局域網(wǎng)無線控制。上位機中的TLINK云平臺可顯示連接的所有終端節(jié)點的環(huán)境數(shù)據(jù)并繪制實時曲線圖。

3.3 網(wǎng)關配置

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)境舒適度評價采用分類評價的方式。將艙室數(shù)據(jù)分類傳輸至相應網(wǎng)關，再由網(wǎng)關整合后，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，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54Mbit/s，傳輸距離為30m左右，應將網(wǎng)關設置在上位機附近。計算得一個網(wǎng)關可以對應2880個終端節(jié)點，實際應用中船舶終端節(jié)點的數(shù)量并不會超過這個數(shù)字，因此每個網(wǎng)關對應的終端節(jié)點數(shù)量應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。

船舶中需要進行環(huán)境舒適度評價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，工作艙室包括會議室、指揮室等，后勤艙室包括廚房、洗衣房等。

全船設置4個網(wǎng)關，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使用一個網(wǎng)關，公共艙室、工作艙室共用一個網(wǎng)關，衛(wèi)生、后勤艙室共用一個網(wǎng)關。上位機采用輪巡加優(yōu)先級的方式對網(wǎng)關數(shù)據(jù)的傳輸進行管理，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)關采用輪巡的方式進行傳輸。

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值評價標準，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時PMV值時，可根據(jù)表4判斷是否處于舒適范圍，并根據(jù)判斷結果進行后續(xù)的能量管理工作。

船舶環(huán)境舒適度評價系統(tǒng)將終端節(jié)點采集到的環(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)代入計算，從而對船舶艙室的環(huán)境舒適度進行實時評價，其理論模型如圖6所示。

圖6 環(huán)境舒適度評價系統(tǒng)理論模型

選取夏季某時刻船舶各典型艙室的環(huán)境數(shù)據(jù)進行算例分析。經(jīng)多次計算得知迭代30次后計算結果可達到穩(wěn)定，其PMV值計算結果見表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)境舒適度評價要求的，其他艙室內(nèi)的人員會感到明顯不適，需船舶控制人員進行相關調(diào)整。

表5 夏季船舶艙室PMV值計算

總結

研究人員基于LoRa技術搭建了船舶艙室的環(huán)境舒適度評價系統(tǒng)，每個船舶艙室的終端節(jié)點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，再由WiFi發(fā)送至上位機，最后在頂層控制系統(tǒng)中進行PMV值的計算和艙室環(huán)境舒適度評價。

該系統(tǒng)的優(yōu)點是LoRa技術可以依據(jù)自身需要搭建網(wǎng)絡部署，具有較強的實用性、可靠性和可擴展性，在船舶環(huán)境數(shù)據(jù)的無線采集中有顯著的應用優(yōu)勢，為船舶環(huán)境舒適度評價提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

其次，可以實時判斷艙室內(nèi)微氣候環(huán)境的舒適度，實現(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艙室的PMV值范圍，便于船舶管理人員實時控制艙室輔機的風機負荷、水泵負荷和空調(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一步考慮搖擺、震動、噪聲、空氣污染等影響因素。如何高效低成本地設立終端節(jié)點實時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標準也將成為以后研究的主流方向。

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