張大海，齊亮，丁圓強(qiáng)，姜濤，鄭凱，姚抒均

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

目前，我國在位運(yùn)行的大型海洋浮標(biāo)已有將近200套[1-2]，并且其數(shù)量仍然在不斷增長(zhǎng)。長(zhǎng)期以來，大型海洋浮標(biāo)電源系統(tǒng)都是直接采用太陽能電池板、大功率二極管和蓄電池組相結(jié)合的方式，其中大功率二極管起到防止電源反充的作用，這種方式優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、成本低，但是也有很多弊端，如蓄電池組易過充過放，嚴(yán)重影響蓄電池壽命；浮標(biāo)在海上長(zhǎng)時(shí)間無人值守，無法實(shí)時(shí)了解電源系統(tǒng)運(yùn)行狀況等等。自2013年起，大型海洋浮標(biāo)陸續(xù)更新安裝太陽能保護(hù)器，從而使浮標(biāo)電源的充放電得到有效控制。但是對(duì)浮標(biāo)電源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，仍然缺乏一種行之有效的方法。

因此，本文提出了一種基于LabVIEW與SQL server的浮標(biāo)遠(yuǎn)程電源管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了浮標(biāo)上使用的硬件電路電源控制系統(tǒng)，以及基于LabVIEW與SQL server的岸基數(shù)據(jù)接收處理中心，通過網(wǎng)絡(luò)與北斗通訊，能定時(shí)/實(shí)時(shí)獲取浮標(biāo)電源數(shù)據(jù)，并遠(yuǎn)程控制浮標(biāo)電源通斷。其監(jiān)控的電源數(shù)據(jù)，涵蓋太陽能電池組，蓄電池組，負(fù)載設(shè)備的電壓、電流、功率，蓄電池組的年、月、日充電量，負(fù)載設(shè)備的年、月、日用電量，浮標(biāo)艙內(nèi)溫度等以及浮標(biāo)電源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，既可以讓用戶實(shí)時(shí)直觀地看到浮標(biāo)電源的狀態(tài)和總體變化趨勢(shì)，也可以為浮標(biāo)以后的維修升級(jí)提供重要的電源方面參考依據(jù)。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的浮標(biāo)遠(yuǎn)程電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，中控板為浮標(biāo)電源控制系統(tǒng)的控制中心，以RS485方式與4個(gè)太陽能保護(hù)器連接，以RS232方式與DTU網(wǎng)絡(luò)通訊機(jī)[3]或者北斗通訊機(jī)連接，采用定時(shí)方式向4個(gè)太陽能保護(hù)器索取電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)通訊[4]或者北斗衛(wèi)星通訊[5]，將電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至岸基數(shù)據(jù)接收處理中心的終端軟件，并保存到SQL server數(shù)據(jù)庫[6]。岸基數(shù)據(jù)接收處理中心的終端軟件，可以遠(yuǎn)程向中控板發(fā)送指令，采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、控制浮標(biāo)電源輸出的通斷。本電源管理系統(tǒng)獨(dú)立于原有的浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[7]之外，不受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障的影響。系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程強(qiáng)制斷電重啟功能，一旦浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集器程序死機(jī)，可對(duì)其遠(yuǎn)程強(qiáng)制斷電重啟，以恢復(fù)其正常運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of system structure

2 硬件設(shè)計(jì)

電源控制硬件電路部分安裝于浮標(biāo)上，包括中控板、網(wǎng)絡(luò)通訊機(jī)(DTU)或者北斗通訊機(jī)、太陽能保護(hù)器。其中中控板采用C8051F021單片機(jī)做為MCU芯片，其硬件電路主要包括MCU模塊、電源模塊、SD2200時(shí)鐘模塊、RS485通信模塊、RS232通信模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊。中控板硬件電路組成結(jié)構(gòu)見圖2。MCU通過SMBUS總線向SD2200時(shí)鐘芯片獲取當(dāng)前時(shí)間，在到達(dá)預(yù)定時(shí)間之后，控制繼電器給DTU或者北斗供電，并通過RS485接口向太陽能保護(hù)器發(fā)送指令，啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議編碼保存到SD卡中，并發(fā)送給岸基數(shù)據(jù)接收處理中心的終端軟件；在接收到岸基數(shù)據(jù)接收處理中心發(fā)送過來的遠(yuǎn)程指令后，MCU會(huì)對(duì)指令進(jìn)行識(shí)別，做出相應(yīng)的動(dòng)作。

圖2 浮標(biāo)硬件電路組成結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of buoy hardware circuit

3 岸基數(shù)據(jù)接收處理中心終端軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端軟件設(shè)計(jì)思路

岸基數(shù)據(jù)接收處理中心終端軟件使用NI公司的LabVIEW2014開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)，LabVIEW是一種圖形化的編程語言，又稱為G語言，包含GPIB、VXI、PXI、RS-232、RS-485和網(wǎng)絡(luò)通信等諸多功能，其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和處理顯示功能，使其在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[8]。

本文所設(shè)計(jì)的終端軟件由網(wǎng)絡(luò)通信模塊、串口(北斗)通信模塊、SQL數(shù)據(jù)庫交互模塊、用戶界面控件4個(gè)主要部分組成，具備數(shù)據(jù)接收處理并顯示、數(shù)據(jù)保存SQL server數(shù)據(jù)庫、遠(yuǎn)程獲取浮標(biāo)實(shí)時(shí)電源數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制浮標(biāo)電源輸出通斷、浮標(biāo)電源異常報(bào)警、查詢數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)等功能。采用多線程并行運(yùn)行的設(shè)計(jì)思想，提高了程序的運(yùn)行效率，同時(shí)也避免了程序在處理數(shù)據(jù)時(shí)，大量占用CPU，導(dǎo)致用戶界面反應(yīng)遲鈍、卡死；軟件的很多功能采用模塊化編程[9]，各功能模塊相對(duì)獨(dú)立，功能單一，方便程序維護(hù)升級(jí)，也有利于代碼的重用；網(wǎng)絡(luò)通信模塊和串口(北斗)通信模塊均采用狀態(tài)機(jī)方式實(shí)現(xiàn)，使模塊中多個(gè)事件之間的邏輯關(guān)系更加簡(jiǎn)潔明了[10]，提高了程序的可讀性。本軟件對(duì)SQL server數(shù)據(jù)庫的操作訪問是利用LABSQL工具包實(shí)現(xiàn)的，LABSQL通過Microsoft ADO以及SQL語言完成對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問，將復(fù)雜的底層ADO和SQL語句封裝成功能函數(shù)[11]，從而簡(jiǎn)化了LabVIEW用戶對(duì)SQL server數(shù)據(jù)庫的操作，可以顯著提高編程效率。

3.2 終端軟件工作過程

(1)首次啟動(dòng)終端軟件時(shí)，需設(shè)置北斗串口號(hào)、網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)、通訊方式等通訊參數(shù)以及數(shù)據(jù)庫名、用戶名、密碼等數(shù)據(jù)庫參數(shù)，配置完畢后保存配置，重啟軟件即可完成初始化。

(2)軟件啟動(dòng)成功后會(huì)根據(jù)配置的通訊方式，監(jiān)聽北斗串口或者網(wǎng)絡(luò)端口，等待浮標(biāo)上線，傳回?cái)?shù)據(jù)。

(3)當(dāng)有新報(bào)文到達(dá)時(shí)，會(huì)對(duì)報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)，只有長(zhǎng)度和格式符合通信協(xié)議的報(bào)文才會(huì)進(jìn)行處理。報(bào)文按照通信協(xié)議解碼之后，保存至SQL server數(shù)據(jù)庫，原始報(bào)文保存成txt文本，然后將解碼出來的數(shù)據(jù)在全局監(jiān)控界面以表格形式顯示，在實(shí)時(shí)監(jiān)控界面以文本和實(shí)時(shí)曲線形式顯示。數(shù)據(jù)接收處理流程見圖3，實(shí)時(shí)監(jiān)控界面見圖4。

圖3 數(shù)據(jù)處理接收流程圖Fig. 3 Flow chart of data processing and receiving

圖4 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面Fig. 4 Real-time monitoring interface

(4)實(shí)時(shí)獲取浮標(biāo)電源數(shù)據(jù)功能，在浮標(biāo)上線期間，可以在軟件左側(cè)的在線浮標(biāo)欄，選中欲控制浮標(biāo)，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面，點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”按鈕，軟件通過網(wǎng)絡(luò)或者北斗通訊，向浮標(biāo)上的中控板發(fā)送采集指令，中控板接收到指令后，將會(huì)啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)或者北斗通訊，發(fā)送給終端軟件，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程獲取該浮標(biāo)電源當(dāng)前數(shù)據(jù)。

(5)對(duì)浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的強(qiáng)制斷電重啟功能，在浮標(biāo)上線，與終端軟件連接通信期間，點(diǎn)擊“打開輸出”/“關(guān)閉輸出”按鈕，終端軟件通過網(wǎng)絡(luò)或者北斗通訊，向浮標(biāo)上的中控板發(fā)送打開/關(guān)閉電源輸出的指令，中控板接收到指令后，控制太陽能保護(hù)器打開/關(guān)閉浮標(biāo)蓄電池組輸出。遠(yuǎn)程將蓄電池組輸出關(guān)閉，停止向浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)供電，然后再將蓄電池組輸出打開，重新向浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)供電，即完成一次對(duì)浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的強(qiáng)制斷電重啟。遠(yuǎn)程操作類按鈕默認(rèn)為禁用狀態(tài)，需點(diǎn)擊激活按鈕，并輸入密碼后，方可使用，防止誤操作。

以打開浮標(biāo)的蓄電池組的輸出為例，首先等待欲控制的浮標(biāo)上線，再在線浮標(biāo)欄選中此浮標(biāo)，點(diǎn)擊“打開輸出”按鈕，此時(shí)終端軟件會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)或者北斗通訊，向浮標(biāo)上的中控板發(fā)送預(yù)處理指令，中控板收到此指令后會(huì)將程序中打開標(biāo)志變量置1，同時(shí)終端軟件會(huì)彈出確認(rèn)窗口，點(diǎn)擊“確定”按鈕后，終端軟件會(huì)向中控板發(fā)送確認(rèn)指令，中控板收到確認(rèn)指令后，即向太陽能保護(hù)器發(fā)送打開輸出命令，實(shí)現(xiàn)打開電源輸出操作。一個(gè)打開電源輸出操作需兩次指令完全正確才會(huì)執(zhí)行。

(6)如需查詢某浮標(biāo)的電源歷史數(shù)據(jù)，可在數(shù)據(jù)查詢界面，選擇該浮標(biāo)號(hào)、控制器ID、欲查詢時(shí)間，點(diǎn)擊“綜合數(shù)據(jù)查詢”或者“單一數(shù)據(jù)曲線”按鈕，從SQL server數(shù)據(jù)庫中讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以表格或者曲線圖的形式予以顯示。查詢單一數(shù)據(jù)曲線程序框圖見圖5，某時(shí)間段負(fù)載電流曲線圖見圖6。

圖5 查詢單一數(shù)據(jù)曲線程序框圖Fig 5 Program block diagram for querying a single data curve

圖6 查詢某時(shí)間段負(fù)載電流曲線Fig 6 Load current curve for a certain time period

4 浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)拷機(jī)測(cè)試

2018年4月16號(hào)開始，本系統(tǒng)安裝到位于青島沙子口碼頭的10 m大型海洋浮標(biāo)上，進(jìn)行浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)拷機(jī)測(cè)試，經(jīng)過一周的連續(xù)運(yùn)行，數(shù)據(jù)接收率100%。

圖7 2018.4.17 13:00—2018.4.20 22:00浮標(biāo)發(fā)電功率變化曲線Fig 7 Variation curve of buoy power generation from April 17, 2018 13:00 to April 20, 2018 22:00

圖8 2018.4.17 13:00—2018.4.20 22:00浮標(biāo)太陽能陣列電壓變化曲線Fig 8 Voltage variation curve of buoy solar array from April 17, 2018 13:00 to April 20, 2018 22:00

圖9 2018.4.17 13:00—2018.4.20 22:00浮標(biāo)艙內(nèi)溫度變化曲線Fig 9 Temperature curve in the buoy cabin from April 17, 2018 13:00 to April 20, 2018 22:00

曲線圖7 ～ 9中，2018.4.17 13:00—2018.4.20 22:00時(shí)間段內(nèi)浮標(biāo)發(fā)電功率、太陽能陣列電壓和浮標(biāo)艙內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)基本一致?？梢苑治龀鲭S著光照強(qiáng)度的增大，浮標(biāo)溫度上升，太陽能陣列的發(fā)電功率也隨之增大，直至蓄電池滿電后，充電電流變小，發(fā)電功率降低，穩(wěn)定在補(bǔ)償性的浮充充電狀態(tài)。

由圖10的浮標(biāo)電源數(shù)據(jù)可以看到，隨著日照強(qiáng)度的增大，浮標(biāo)發(fā)電功率也隨之增大，浮標(biāo)進(jìn)入提升充電狀態(tài)，以恢復(fù)晚上損失的電量，直至中午10:54，4組蓄電池均滿電，進(jìn)入補(bǔ)償性的浮充充電狀態(tài)，也驗(yàn)證了對(duì)曲線圖7～9的分析。

圖10 2018.4.20 05:00—13:00浮標(biāo)電源數(shù)據(jù)Fig10 Buoy power data from 05:00 to 13:00 on April 20, 2018

通過以上實(shí)例分析，證明本系統(tǒng)可以為用戶提供較為詳細(xì)的電源數(shù)據(jù)，方便用戶了解和總結(jié)浮標(biāo)電源的運(yùn)行規(guī)律和狀態(tài)。

5 結(jié)語

本遠(yuǎn)程電源管理系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取浮標(biāo)的電源數(shù)據(jù)，并直觀地予以顯示，可以使浮標(biāo)電源的工作狀態(tài)有一個(gè)量化呈現(xiàn)，方便用戶及時(shí)掌握和分析浮標(biāo)電源的運(yùn)行情況、整體變化趨勢(shì)，以及電源系統(tǒng)異常和隱患，并且，在發(fā)現(xiàn)浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或者某傳感器運(yùn)行異常后，可遠(yuǎn)程對(duì)其強(qiáng)制斷電重啟，可省去租船出海維修的費(fèi)用，有效減少浮標(biāo)運(yùn)行成本。