霍海波,許逸,王世明,趙舉,楊波

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

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基于北斗衛(wèi)星通信的波浪能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

霍海波,許逸,王世明,趙舉,楊波

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

波浪能發(fā)電已成為緩解能源危機的有效手段之一。然而波浪能發(fā)電功率低,發(fā)電系統(tǒng)不穩(wěn)定,因此對波浪能發(fā)電裝置的位置及運行狀況監(jiān)控極其重要。本文利用北斗衛(wèi)星的雙向通信,設(shè)計了一種監(jiān)控系統(tǒng),監(jiān)測波浪發(fā)電系統(tǒng)運行情況,并將信息轉(zhuǎn)至遠程監(jiān)控中心,便于遠程監(jiān)控。實驗結(jié)果表明,該監(jiān)控系統(tǒng)能夠起到監(jiān)控作用,優(yōu)化輸出功率。

波浪能發(fā)電;北斗衛(wèi)星通信;遠程監(jiān)控

0 引 言

隨著煤炭、石油、天然氣等資源日益枯竭及對環(huán)境造成的污染,人類迫切地需要開發(fā)清潔、可再生的能源以緩解能源危機。其中波浪能具有分布廣泛,能量高等優(yōu)勢,成為國內(nèi)外研究的熱點[1]。但是波浪時刻變化,不利于集中收集能量,導(dǎo)致發(fā)電效率低下[2-3]。黃忠洲[4]研究了波浪能發(fā)電系統(tǒng)的負載阻值對輸出功率影響——負載阻值達到某一定值時,輸出功率最大。然而波浪能裝置在海上工作時,最佳的負載阻值也會隨著波浪變化而變化,且波浪發(fā)電轉(zhuǎn)置離岸較遠,近距離設(shè)置負載阻值和監(jiān)控難以實施。

為實現(xiàn)遠程監(jiān)控波浪能發(fā)電系統(tǒng),本文采用中國自主研制的北斗導(dǎo)航系統(tǒng),該系統(tǒng)的主要功能為北斗衛(wèi)星快速準(zhǔn)確定位及雙向通信,且由于是我國研發(fā),該通信系統(tǒng)具有高度的保密性,通信過程安全可靠[5-6]。

基于北斗衛(wèi)星的雙向通信,本文設(shè)計了一種波浪監(jiān)控系統(tǒng),即通過北斗衛(wèi)星通信遠程監(jiān)控波浪能發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、負載、功率等信息,設(shè)置最佳負載,優(yōu)化系統(tǒng)輸出功率。

1 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

該監(jiān)控系統(tǒng)由三個部分組成,第一個部分,波浪能發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集;第二部分,地面控制中心;第三個部分,監(jiān)控中心數(shù)據(jù)處理,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的工作原理:

1) 波浪發(fā)電采集端將發(fā)電機轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)負載阻值、功率、位置等信息發(fā)送給北斗衛(wèi)星通信終端;

2) 北斗衛(wèi)星通信終端收到信息后,發(fā)射信號給衛(wèi)星申請通信要求,衛(wèi)星接收到信號后轉(zhuǎn)發(fā)至地面控制中心;

3) 地面控制中心收到信號,進行解讀,并將解讀后信息返還至衛(wèi)星;

4) 衛(wèi)星在收到返還信息后,再發(fā)送至遠程監(jiān)控中心,實現(xiàn)雙向通信[7]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 波浪發(fā)電采集端

波浪發(fā)電采集端由單片機、光電編碼傳感器、電子負載組成。其核心單片機STM32F103ZET6是一款低功耗的、低成本的工業(yè)級單片機,主頻72 MHz,具有64 kB的SRAM、512 kB的Flash、2個基本定時器、4個通用定時器、5個串口[8]。當(dāng)電機帶動碼盤轉(zhuǎn)動時,碼盤每經(jīng)過一個柵格,傳感器輸出低電平信號便于單片機捕獲,而未經(jīng)過柵格時傳感器輸出高電平信號。傳感器輸出的信號如圖2所示。STM32單片機的IO接受到信號后,利用定時器捕獲,計算得出轉(zhuǎn)速。

圖2 傳感器輸出信號

2.2 北斗衛(wèi)星通信終端

北斗衛(wèi)星通信終端采用ATK-S1216F8-BD北斗通信模塊,模塊核心為SkyTraq 公司的S1216F8-BD模組,具有167個通道,追蹤靈敏度高達-165 dBm,測量輸出頻率最高可達20 Hz.該模塊冷啟動時間在30 s左右,定位精度為2.5CEP,通信接口為RS232串口,通信定位頻率<1次/min,接口波特率為1200～38400 bps.北斗通信模塊電路如圖3所示。

圖3 北斗通信模塊電路

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 NEMA-0183協(xié)議簡介

北斗模塊的定位使用了NMEA-0183協(xié)議, 該協(xié)議由美國國家海洋電子協(xié)會(NMEA)制定,是海用電子設(shè)備通信的標(biāo)準(zhǔn)格式。目前,已成了GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。該協(xié)議采用AS-CII碼來傳遞GPS定位信息,稱之為幀。幀的形式:＄aabbb,ccc,ccc,…,ccc*dd(CR)(LF)

1) “＄”:幀起始位;

2) aabbb:地址域,其中(aa)為識別符,(bbb)為語句名;

3) ccc…ccc:數(shù)據(jù)位;

4) “*”:校驗和前綴(或為語句數(shù)據(jù)結(jié)束的標(biāo)志);

5) dd:校驗和,＄至*之間各個字節(jié)異或運算得出校驗和,進而轉(zhuǎn)為16進制的ASCII字符;

6) (CR)(LF):幀結(jié)束位,回車和換行符[9]。

通過北斗衛(wèi)星,把幀發(fā)送到遠程監(jiān)控中心,轉(zhuǎn)換為易于理解的信息并顯示。

3.2 單片機軟件設(shè)計

單片機程序主要由主程序及串口設(shè)置電阻、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送等子程序構(gòu)成。全部程序都在Keil uVision5開發(fā)環(huán)境下采用C語言編譯。單片機上電后,對定時器、串口等硬件初始化后,進入主循環(huán),將轉(zhuǎn)速計算得出,并進行北斗定位,依托北斗雙向通信優(yōu)勢,根據(jù)北斗衛(wèi)星發(fā)送來的指令,設(shè)置電子負載的阻值,同時將定位信息及負載、轉(zhuǎn)速信息發(fā)送給北斗衛(wèi)星[10]。

在測速程序中,使用了定時器捕獲用于捕獲傳感器的低電平,根據(jù)傳感器輸出的如圖2所示的信號波形,由捕獲到低電平的時間可計算轉(zhuǎn)速。串口設(shè)置電阻子程序中,波特率設(shè)置為115200 bps,RS232串口發(fā)送ModBus數(shù)據(jù)幀,設(shè)置電子負載的負載阻值;同樣,發(fā)送ModBus數(shù)據(jù)幀,讀取電子負載參數(shù)。最后,數(shù)據(jù)發(fā)送子程序?qū)⑺袛?shù)據(jù)發(fā)送北斗通信終端,實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。圖4示出了單片機程序流程圖。

圖4 單片機程序流程圖

3.3 遠程監(jiān)控上位機軟件設(shè)計

遠程監(jiān)控端也采用ATK-S1216F8-BD北斗通信模塊用于接收采集端發(fā)送的信息,并將信息顯示于上位機。上位機程序在LabVIEW軟件中編寫,程序流程圖如圖5所示。

圖5 上位機程序流程圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)運行與測試

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)運行

STM32單片機讀取轉(zhuǎn)速、電子負載參數(shù)、定位信息,并將數(shù)據(jù)通過北斗通信終端及衛(wèi)星最終發(fā)送給遠程監(jiān)控中心上位機。

遠程監(jiān)控端收到北斗衛(wèi)星發(fā)送的指令,顯示到上位機。如圖6所示,該北斗衛(wèi)星定位位置為(121.533074E, 30.5316.57N),高度為-2.4 m,速度為3.72 km/h,衛(wèi)星數(shù)量12顆。查看系統(tǒng)負載阻值與轉(zhuǎn)速,可以根據(jù)系統(tǒng)的運行情況手動加載負載阻值,如 Res_To_Mod(511)函數(shù),設(shè)置負載電阻為51.1Ω,改變函數(shù)的參數(shù)即可改變負載阻值。根據(jù)北斗通信終端收到的信息,單片機會執(zhí)行相應(yīng)的指令,實現(xiàn)遠程監(jiān)控,如圖7所示,單片機設(shè)置了電子負載阻值。

圖6 上位機顯示系統(tǒng)信息

圖7 加載后電子負載

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)測試

在國家東海標(biāo)準(zhǔn)計量中心的水槽中進行實驗,將波浪能發(fā)電機接上電子負載的輸入和輸出端,STM32單片機根據(jù)遠程監(jiān)控中心的指令,自動改變負載阻值。在不同的流速下進行了多組實驗,通過遠程監(jiān)控上位機記錄數(shù)據(jù)和設(shè)置電阻,優(yōu)化電子負載的輸出功率,記錄功率最大時刻的實驗數(shù)據(jù),如表1所示。可以得出,流速增大,轉(zhuǎn)速增大,最佳負載阻值也會隨之變化,功率程遞增趨勢;位置變動呈遞減趨勢,直至第四組不再變化,速度也呈遞減趨勢,整體趨于穩(wěn)定。

表1 不同流速下最佳負載阻值及功率

5 結(jié)束語

本文為實現(xiàn)波浪能發(fā)電的遠程監(jiān)控,并優(yōu)化輸出功率,設(shè)計波浪能發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)。從實驗結(jié)果得出,遠程監(jiān)控中心能夠?qū)崟r監(jiān)控系統(tǒng)運行情況,如定位信息、轉(zhuǎn)速、負載等,并可通過改變電子負載的阻值,找到最佳負載,輸出最大的功率。實踐證明,該設(shè)計既減少了人為設(shè)置負載的不便,又提高了輸出功率;利用北斗衛(wèi)星通信實現(xiàn)了高效、可靠的遠程監(jiān)控。

[1] 周廣鈺.船舶上可裝載的波浪能發(fā)電裝置設(shè)計[J].艦船科學(xué)技術(shù),2015,37(7):216-220.

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Design and Application of Wave Energy Monitoring System Based on Beidou Satellite Communication

HUO Haibo,XU Yi,WANG Shiming,ZHAO Ju,YANG Bo

(SchoolofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

Wave power generation has become one of the effective means to alleviate the energy crisis. However, the wave energy power generation system is not always efficient and unstable, therefore, it is extremely important for monitoring the position and status of the wave energy power generation device. Based on Beidou satellite intercommunication, this paper designs an monitoring system which monitoring the operation of wave generating system, and will send information to the remote monitoring center, finally, monitoring system adjusts the operation parameters of wave power generation system. From the experiment, it can be concluded that the monitoring system plays a monitoring role and improves the output power.

Wave energy; BeiDou satellite communication; remote monitoring

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.016

2016-11-18

國家海洋局2013年海洋可再生能源專項(編號：SHME2013JS01); 上海市教委創(chuàng)新項目(編號：S201610264063)

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0070-04

霍海波 (1976-),女,山西忻州人,副教授,主要從事波浪能發(fā)電及監(jiān)控系統(tǒng)研究。

許逸 (1993-),男,江蘇蘇州人,研究生,研究方向為波浪能優(yōu)化與控制。

王世明 (1964-),男,山西忻州人,教授,主要從事海洋可再生能源及海洋工程裝備的研究。

聯(lián)系人: 許逸 E-mail: 547374845@qq.com