王世明,楊浩,田卡,楊志乾

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院 上海 201306)

0 引 言

社會的快速發(fā)展對能源的需求越來越大,而化石能源的大量消耗以及燃燒帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染.開發(fā)清潔能源是解決當(dāng)前現(xiàn)狀的途徑.相比于太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電,波浪能發(fā)電具有獨特的優(yōu)勢,地理位置限制小,對海洋生物環(huán)境影響小,能量密度大.我國波浪能分布廣泛,儲藏量大,有18000多千米的海岸線,6960多個島嶼,理論上,我國近海岸可利用波浪能約0.7×108～1.7×108kW,具有很好的開發(fā)利用前景[1-3].由于波浪能的變化具有隨機(jī)性和不可預(yù)測性,而波浪能發(fā)電裝置遠(yuǎn)離海岸工作,需要遠(yuǎn)程監(jiān)測手段來實時掌握其工作數(shù)據(jù),實現(xiàn)波浪能發(fā)電效率的最大化.

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS,簡稱北斗系統(tǒng))是我國自主研發(fā)完成,具有精確定位和雙向短報文通信功能,能夠全天不間斷服務(wù),無服務(wù)盲區(qū),該系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域,發(fā)揮了重要作用,取得了很大的經(jīng)濟(jì)和社會效益.和GPS系統(tǒng)相比,北斗系統(tǒng)短報文功能彌補(bǔ)無線通信的不足[4].

雙向直驅(qū)式波浪能發(fā)電裝置(如圖1所示)采用兩側(cè)發(fā)電機(jī)和中間葉輪的對稱分布方式,該發(fā)電裝置主要應(yīng)用于海洋監(jiān)測浮標(biāo)和燈塔的供電,在離岸式工作環(huán)境下,發(fā)電設(shè)備的工作狀態(tài)無法實時掌握控制.因此,本文利用北斗系統(tǒng)的雙向短報文通信功能,設(shè)計了一種離岸波浪能發(fā)電裝置數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng),通過此監(jiān)測系統(tǒng)實時掌握波浪能發(fā)電裝置的輸出電壓、電流功率數(shù)據(jù),通過遠(yuǎn)程控制界面完成數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與存儲,具有重要應(yīng)用價值.

1 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

該系統(tǒng)由海上數(shù)據(jù)采集節(jié)點、岸上監(jiān)測中心組成.總體設(shè)計如圖2所示.

海上采集節(jié)點由數(shù)據(jù)采集器、北斗通信終端組成.發(fā)電機(jī)輸出的電壓與電流,經(jīng)過單相直流多功能電能表將高電壓、大電流轉(zhuǎn)化為低電壓、小電流,獲取電壓與電流信號并計算功率.數(shù)據(jù)采集器以STM32微處理器為主控制單元,內(nèi)部嵌入TTL電路,收集來自電能表的信號,再經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換,由北斗通信終端將信號發(fā)出.

岸上監(jiān)測中心由北斗指揮機(jī)、PC端機(jī)及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境組成.北斗指揮機(jī)接收北斗終端信號,通過RS485總線將信號輸入PC端機(jī),編寫軟件界面識別數(shù)據(jù)源、解密、解壓縮等處理,實現(xiàn)PC端實時監(jiān)測.考慮設(shè)備長期運(yùn)行,數(shù)據(jù)累積量較大,選擇聯(lián)網(wǎng)上傳至服務(wù)器存儲數(shù)據(jù),登陸局域網(wǎng)內(nèi)IP地址,可實時查看數(shù)據(jù).

北斗系統(tǒng)有無線電測定業(yè)務(wù)(RDSS)和無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)兩種工作模式,RDSS工作模式下,可以同時完成定位和短報文通信,RNSS工作模式下,只能進(jìn)行定位,無短報文通信功能[5-8].雙向直驅(qū)式波浪能發(fā)電裝置是遠(yuǎn)離海岸投放,岸上監(jiān)測中心需要通過北斗系統(tǒng)獲取離岸發(fā)電裝置位置信息及監(jiān)測數(shù)據(jù),人員可以遠(yuǎn)程觀察發(fā)電設(shè)備的工作狀態(tài).因此選用北斗系統(tǒng)的RDSS工作模式完成波浪能發(fā)電裝置的定位和測試數(shù)據(jù)傳輸.北斗通信終端應(yīng)具備報文通信能力與抗風(fēng)浪引起的波動能力.

2 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

該基于北斗系統(tǒng)的波浪能發(fā)電裝置監(jiān)測系統(tǒng)的海上部分主要由北斗通信模塊GYM2003B、STM32微處理器、數(shù)據(jù)采集模塊和電源模塊等部分組成.數(shù)據(jù)采集模塊用于采集發(fā)電機(jī)端輸出的電壓、電流及功率參數(shù),經(jīng)過RS485串口總線進(jìn)入STM32F103ZE控制器中,由北斗通信終端GYM2003B發(fā)出.在岸上監(jiān)測中心,北斗指揮機(jī)接收海上數(shù)據(jù)信號,通過RS485總線將信號輸入PC端,PC端通過人機(jī)交換界面解析數(shù)據(jù),并上傳至上海海洋大學(xué)服務(wù)器中,同時完成對數(shù)據(jù)的顯示.

2.1 海上監(jiān)測部分電路設(shè)計

海上監(jiān)測系統(tǒng)部分的硬件接口設(shè)計圖如圖3所示.由于設(shè)計發(fā)電機(jī)額定電壓限制,輸出的電壓、電流均有上下限值,考慮電數(shù)據(jù)保留兩位有效數(shù)字,故單個數(shù)據(jù)長度為4個字節(jié),每2 s采集一次數(shù)據(jù),考慮數(shù)據(jù)包加密需2個字節(jié),對于該雙向發(fā)電機(jī)單次可產(chǎn)生至少14個字節(jié)數(shù)據(jù).北斗通信模塊GYM2003B只能發(fā)送120字/次的短報文,設(shè)計時,要求收集8 s數(shù)據(jù)再完成北斗通信傳輸.采用RS485總線作為傳輸總線,RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合,抗共模干擾能力增強(qiáng),即抗噪聲干擾性好;RS-485采用差分信號負(fù)邏輯,接口信號電平較低,不易損壞接口電路的芯片,方便與TTL電路連接.STM32F103ZE控制器(如圖4所示)實現(xiàn)數(shù)據(jù)延時發(fā)送與存儲、時鐘信號控制、北斗通信控制等,內(nèi)部擁有高達(dá)2 MB的FLASH存儲器和128 kB的RAM存儲器,數(shù)據(jù)處理較快,滿足監(jiān)測系統(tǒng)要求.北斗通信模塊GYM2003B是北斗RDSS全功能通信模塊,尺寸為58.4 mm×46.5 mm×8 mm,集成度高、接口方便,通過簡單的外圍電路設(shè)計,即可快速靈活地完成控制.程序下載模塊可連接計算機(jī),實現(xiàn)微控制器的檢查與工作參數(shù)的設(shè)定.同時增加了多種擴(kuò)展口,可搭載其他類型的傳感器或者發(fā)電設(shè)備的數(shù)據(jù)信號.

北斗通信終端模塊GYM2003B的主要性能指標(biāo)數(shù)據(jù)如下:

(a)正常工作電壓:+4.9V～+5.2V;

(b)通訊接口:RS485串行接口;

(c)自動定位時間:小于等于2 min;

(d)接口傳輸速率:2400～115200 bit/s.

STM32F103ZE控制器TTL電平轉(zhuǎn)換電路如圖5所示,其主控芯片型號為SP3485.

2.2 監(jiān)測軟件界面

監(jiān)測軟件界面是由VB軟件編成,如圖6所示,其主要功能為串口數(shù)據(jù)解碼、數(shù)據(jù)庫管理和界面顯示.北斗指揮機(jī)通過RS485總線將數(shù)據(jù)傳輸至PC端機(jī),完成數(shù)據(jù)解碼,存儲到Access數(shù)據(jù)庫中,同時將信息在界面上實時顯示.在上海海洋大學(xué)服務(wù)器上搭建好數(shù)據(jù)庫,PC端機(jī)聯(lián)網(wǎng)以后,可將本地數(shù)據(jù)庫上傳至服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫,修改配置文件,其他用戶可以登陸局域網(wǎng)內(nèi)IP地址,實時查看數(shù)據(jù).

3 海上試驗

雙向直驅(qū)式波浪能發(fā)電裝置選擇布放在廈門市大擔(dān)島附近海域,位置為北緯24°23′48″,東經(jīng)118°11′59″.當(dāng)?shù)爻绷髀洳顬? m左右,流速變?yōu)?0.5～2.4 m/s,達(dá)到試驗所要求的條件.如圖7所示,2017年7月—2017年8月進(jìn)行30天的海上運(yùn)行試驗.裝置運(yùn)行期間,應(yīng)接收數(shù)據(jù)包為118635個,實際接收數(shù)據(jù)包為117460個,數(shù)據(jù)接收率為99.01%;PC端軟件界面能夠?qū)崟r監(jiān)測.運(yùn)用GPS進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，數(shù)據(jù)接收率為92.23%.通過試驗對比，整個北斗通訊與監(jiān)測系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)接收率高，運(yùn)行穩(wěn)定.

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于北斗系統(tǒng)的離岸波浪能發(fā)電裝置數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng).下位機(jī)主控制器為STM32,VB編寫上位機(jī)軟件,結(jié)合北斗通信模塊與其他數(shù)據(jù)采集傳感器,軟硬件結(jié)合共同構(gòu)建整個監(jiān)測系統(tǒng),數(shù)據(jù)處理后,再利用北斗系統(tǒng)的RDSS工作模式下發(fā)送于指揮端接收.由海上試驗數(shù)據(jù)可以看出,該數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀況,并且系統(tǒng)運(yùn)行可靠,數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確,數(shù)據(jù)包的接收率達(dá)到99.01%,該類型的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計對海洋裝備的數(shù)據(jù)監(jiān)測具有一定的借鑒意義.后續(xù)該系統(tǒng)需進(jìn)一步增加海上試驗時間,改善數(shù)據(jù)處理能力,設(shè)計時,預(yù)留多個擴(kuò)展接口,為該發(fā)電裝置規(guī)?；痉稇?yīng)用做準(zhǔn)備.