王金亮， 安然然， 路晨賀， 孫曉鑫， 張語仙

(沈陽化工大學 計算機科學與技術學院， 遼寧 沈陽 110142)

近年來，海洋資源的利用被廣泛關注，海底洋流流速較慢(0.5～1 m/s)且具有平穩(wěn)持續(xù)的特征.利用壓電材料做成壓電能量收集器收集海洋流動的能量，并為海上無線傳感器網(wǎng)絡供電成為一項尤為熱門的課題，國內(nèi)外涌現(xiàn)出許多利用海洋洋流渦致振動現(xiàn)象進行發(fā)電的理論報告與成果，如密歇根大學海洋可再生能源實驗室(marine renewable energy lab 簡稱 MRElab)的 Bernitsas 等[1-2]提出了一種渦致振動清潔水能源收集系統(tǒng)(vortex induced vibration for aquatic clean energy)，重慶大學的王軍雷研究了VIVACE能量轉換機的理論模型和結構[3]，然而其均未提及各種壓電能量收集器最佳放置區(qū)間以及放置該區(qū)間的實驗依據(jù).在實驗室對壓電能量收集器進行模擬海底洋流系統(tǒng)的實驗中發(fā)現(xiàn)，由于實驗室中水循環(huán)設施受尺寸大小限制，在實驗過程中會出現(xiàn)層流及紊流現(xiàn)象.本文通過實驗模擬海底洋流運動，從而為進一步研究利用海底洋流進行壓電能量收集提供實驗條件.實驗室仿真海底環(huán)境時，一般采用兩種策略：一是采用大型水池，在水池上部懸掛步進電機，通過步進電機的移動來帶動傳感器移動，間接實現(xiàn)洋流流動策略，這種方式因為電機在運動時會產(chǎn)生振動，因此對壓電傳感器的分析會造成影響，使采集數(shù)據(jù)不準確；二是采用明渠方式，讓水流從一個儲水器沿著開放廊道流入另一個儲水器，但這種方式更偏向于河流表層的流動.因此最好的策略是采用雙深水池，如圖1所示，水池側邊底部通過廊道聯(lián)通，使水在水壓力下完成一個水池向另一個水池的流動，這種情況下玻璃廊道內(nèi)水的流動方式更接近于洋流的流動方式.

圖1 仿海底洋流實驗裝置示意圖

為了分析實驗裝置中玻璃廊道內(nèi)水流的運動狀況，本文利用三軸加速度傳感器和無線通信技術設計了水流狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過對廊道內(nèi)水流狀態(tài)的分析確定壓電能量收集器最佳放置區(qū)間，從而進一步為海底渦致振動壓電能量收集實驗提供基礎.

1 系統(tǒng)總體設計方案

系統(tǒng)主要分成兩個組成部分：水流情況數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)匯總分析部分.水流情況數(shù)據(jù)采集部分主要通過傳感器采集水循環(huán)廊道內(nèi)流動液體的平穩(wěn)度.當水流在廊道內(nèi)流動時，如果沒有紊流情況，整個管道內(nèi)的水流方向是一致的；如果出現(xiàn)了紊流情況，水流會互相擾動，通過三軸加速度傳感器可以感應出水流在X、Y、Z軸3個方向的流向變化.如果水流在Y、Z軸上波動明顯，則此區(qū)域不適合作為壓電能量收集器的放置區(qū)間.設計方案中的傳感器因需要埋入到水循環(huán)系統(tǒng)的玻璃廊道中，如果采用有線信號傳送，通訊的電纜會對水流產(chǎn)生影響，造成測試效果不準確.因此系統(tǒng)采用將三軸加速度傳感器與無線通訊芯片相結合的方式，即直接將三軸加速度傳感器與無線通訊芯片集成到一個最小電路板，最小化測試面積.三軸加速度傳感器檢測到的信號直接通過無線模塊向外傳送，主控端通過無線模塊接收到水流數(shù)據(jù)后再傳送給高性能的PC機完成數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示.系統(tǒng)總體框圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設計方案

2.1 系統(tǒng)總體硬件結構設計

系統(tǒng)硬件結構設計主要分成兩部分：水流情況數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)匯總分析部分.水流情況數(shù)據(jù)采集部分主要包括采集電路、信號初級放大電路、低通濾波電路、后級放大電路、采樣保持電路、模數(shù)轉換電路和無線通信模塊.此部分主要用來采集各個測試段加速度傳感器的數(shù)據(jù)信號，并進行放大、濾除采集過程中產(chǎn)生的干擾信號，最后將穩(wěn)定的信號進行模數(shù)轉換，并通過無線芯片進行傳送；數(shù)據(jù)匯總分析部分采用與無線發(fā)射端具備相同無線協(xié)議性質(zhì)的設備進行數(shù)據(jù)接收，并通過無線通信方式將接收到的數(shù)據(jù)傳遞給主控機，主控機對傳遞上來的數(shù)據(jù)進行存儲、分析，并將處理結果動態(tài)顯現(xiàn)出來.整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

2.2 水流情況數(shù)據(jù)采集部分設計

水流情況數(shù)據(jù)采集部分主要實現(xiàn)的是對于廊道內(nèi)水流情況的采集，為此選用BMA250三軸加速度傳感器，從X、Y、Z三維空間上對洋流情況進行采集.BMA250是德國 Bosch 公司設計的一款三軸、低加速度傳感器，支持三正交軸的加速度測試.其具有超小型封裝、多選擇數(shù)字接口、可編程、片上中斷控制、超低功率和綠色環(huán)保等特點.BMA250體積小，規(guī)格大小為2 mm×2 mm×1 mm，提供了SPI和IIC總線接口，加速度范圍±2 g/±4 g/±8 g/±16 g，低通濾波器帶寬8～1 000 Hz，工作電壓范圍1.2～3.6 V[4].由于體積小，BMA250可以很好地采集廊道內(nèi)的水流情況，且對水流的影響作用小，幾乎使水流狀態(tài)不發(fā)生改變；提供SPI和IIC兩個總線接口，為數(shù)據(jù)通信提供了選擇；工作電壓在1.2～3.6 V之間，功耗低，使其可以在廊道內(nèi)持續(xù)3個月進行監(jiān)測.BMA250原理框圖如圖4所示.

圖4 三軸加速度傳感器原理

從圖4可以看出：BMA250具有10個引腳，VDD是電源線連接引腳；GND是地線連接引腳；VDDIO是I/O引腳的電源供應引腳；PS是通信協(xié)議選擇引腳，由于MS5611帶有SPI和IIC兩種通信總線接口，在使用時必須對其做出選擇，當PS與VDDIO連接時選擇的通信協(xié)議為IIC，PS與GND連接時選擇的通信協(xié)議為SPI，當PS為浮空狀態(tài)時選用的是專用模式；INT1和INT2為中斷輸出引腳；SDO為數(shù)據(jù)輸出引腳；SDI為數(shù)據(jù)輸入引腳；SCK為時鐘引腳；CSB為SPI模式選擇引腳.由于IIC總線連線簡單，且本系統(tǒng)將傳感器嵌入式安裝在水中以無線的方式發(fā)送信號，為盡可能降低功耗，采用只用兩根線的I2C總線與ESP8266進行數(shù)據(jù)通信，所以在連線過程中將PS引腳與VDD連接.ESP8266是一個完整且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡解決方案[5]，能夠獨立運行，具有低功耗、設計緊湊、價格低廉、性能可靠等特點.ESP8266內(nèi)部集成4 MB的Flash，80 kB的內(nèi)存，其兼容性非常好，支持 AT 指令，并且具有SPI/SDIO和I2C/UART數(shù)據(jù)接口，其內(nèi)部框圖如圖5所示.BMA250在獲取廊道內(nèi)數(shù)據(jù)后，通過IIC數(shù)據(jù)總線將采集的數(shù)據(jù)傳送給ESP8266，在ESP8266內(nèi)對數(shù)據(jù)進行無線編碼，然后通過模塊內(nèi)置天線完成向外發(fā)送.

圖5 ESP8266內(nèi)部原理

ESP8266與BMA250的硬件連接如圖6所示.由于BMA250與ESP8266通過I2C進行通信，所以只需要連接兩條線即可，但在實際操作中，為保證數(shù)據(jù)通信的準確性，使兩個設備具有公共參考電平，所以將兩設備共地.

2.3 “數(shù)據(jù)匯總分析部分”設計

數(shù)據(jù)匯總分析部分主要是對各個水流情況數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)據(jù)進行無線接收和匯總，在無線接收時，系統(tǒng)利用ESP8266內(nèi)置的Wi-Fi協(xié)議通信.Wi-Fi協(xié)議又稱802.11b標準，其最大優(yōu)點是傳輸速度較高，可以達到11 Mb/s，另外它的有效距離也很長，同時也與已有的802.11DSSS設備兼容，其網(wǎng)絡拓撲結構大致分為兩種：基礎網(wǎng)和自組網(wǎng).基礎網(wǎng)基于AP(AP：無線接入點，是一個無線網(wǎng)絡的創(chuàng)建者，是網(wǎng)絡的中心節(jié)點)組建的基礎無線網(wǎng)絡，是由AP創(chuàng)建，眾多 STA(STA：每一個連接到無線網(wǎng)絡中的終端)加入所組成的無線網(wǎng)絡，這種類型網(wǎng)絡的特點是AP是整個網(wǎng)絡的中心，網(wǎng)絡中所有通信都通過 AP 來轉發(fā)完成；自組網(wǎng)僅由兩個及以上STA組成，網(wǎng)絡中不存在 AP，這種類型的網(wǎng)絡是一種松散結構，網(wǎng)絡中所有的 STA 都可以直接通信[6].本系統(tǒng)中為便于管理，采用基礎網(wǎng)的無線組網(wǎng)方式，其中AP由無線路由充當，各個STA由水流情況數(shù)據(jù)采集節(jié)點構成，其網(wǎng)絡拓撲如圖7所示.

圖7 Wi-Fi無線通信網(wǎng)絡拓撲

為實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性，使用3個水流情況數(shù)據(jù)采集節(jié)點監(jiān)測廊道內(nèi)水流情況，若要監(jiān)測廊道內(nèi)的分層情況可外加水流情況監(jiān)測節(jié)點.

當廊道內(nèi)各個水流情況數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集到數(shù)據(jù)后，通過Wi-Fi協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線路由器，無線路由器對各點數(shù)據(jù)進行整合匯總，高性能計算機也通過Wi-Fi協(xié)議訪問無線路由，獲取數(shù)據(jù)后，首先對其進行數(shù)據(jù)分析，獲取設備IP地址及水流數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)存儲，再對其進行數(shù)據(jù)顯示，并根據(jù)設備地址分別顯示其三軸數(shù)據(jù)曲線.通過三軸數(shù)據(jù)曲線獲取監(jiān)測點處的水流情況，從而確定能量收集器的放置區(qū)間.

3 系統(tǒng)軟件設計方案

系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信基于ESP8266內(nèi)部的Wi-Fi模塊進行無線傳輸，Wi-Fi模塊的通信流程主要分為：設備初始化、請求注冊、數(shù)據(jù)發(fā)送請求和接收數(shù)據(jù)等[7].對于紊流數(shù)據(jù)采集端的工作流程為：BMA250和ESP8266初始化后，BMA250獲取廊道內(nèi)水流數(shù)據(jù)，然后傳輸給ESP8266，此時Wi-Fi模塊開始追蹤并關聯(lián)網(wǎng)絡，當與無線路由關聯(lián)成功時，向其發(fā)送路由注冊請求，注冊成功后，再發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請求，在獲取允許發(fā)送響應之后，發(fā)送水流數(shù)據(jù)給無線路由.數(shù)據(jù)匯總端的接收過程與發(fā)送過程相似，但與發(fā)送過程正好相反，數(shù)據(jù)的處理流程也相反.其處理流程如圖8所示.

圖8 Wi-Fi模塊的工作流程

系統(tǒng)的軟件設計主要是直觀地顯示出廊道內(nèi)各個監(jiān)測點處的水流情況，軟件設計基于C# 窗體開發(fā)，在整個系統(tǒng)中由于每一個通信節(jié)點都有靜態(tài)的IP地址，所以利用Socket數(shù)據(jù)傳輸、Panel為容器、PictureBox為畫布，顯示系統(tǒng)各監(jiān)測節(jié)點的水流數(shù)據(jù)值.將數(shù)據(jù)值按照其各自的IP地址號分別存儲在數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)其地址值分別顯示監(jiān)測點X、Y、Z三軸的實時情況，其軟件界面如圖9所示.

圖9 能量收集器放置最佳區(qū)間確定界面

該界面主要是用來顯示各監(jiān)測點的三軸加速度情況，當高性能計算機獲取到BMA250采集到的加速度時，對其進行三維分解，獲得X、Y、Z三軸上的加速度情況，再根據(jù)加速度與位移的關系，分別計算出實時情況下各軸與監(jiān)測點產(chǎn)生的位移偏移，從而直觀地顯示出各點的水流情況.由ESP8266模塊在初始化時已經(jīng)設有靜態(tài)IP，為便于區(qū)分監(jiān)測點，從無線數(shù)據(jù)中獲取IP地址，并在軟件界面上顯示出來.本系統(tǒng)中由于廊道內(nèi)的水是實時流動的，水流情況具有不確定性，所以各監(jiān)測點的波動情況也是不斷更新的，總體而言，一旦監(jiān)控位置保持不變，其波動范圍發(fā)生突變的幾率不大，所以對于系統(tǒng)的準確性影響不是很大.

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)利用三個無線監(jiān)測點對廊道內(nèi)的位置進行監(jiān)測，再通過曲線實時顯示監(jiān)測點X、Y、Z各軸相對于監(jiān)測中心發(fā)生的偏移量，經(jīng)過多次重復性試驗之后即可獲得能量收集器的最佳放置區(qū)間.本文利用水泵作為水循環(huán)裝置，僅針對規(guī)格為10 cm×10 cm×100 cm的玻璃廊道進行多次重復監(jiān)測，獲得的各軸距監(jiān)測點中心的偏移情況隨監(jiān)測點放置位置的變化數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 X、Y、Z軸偏移情況隨放置位置變化

從表1中數(shù)據(jù)變化情況可以看出:隨著放置距離的逐漸增加，X軸距中心位置的偏移幅度呈先減后增的趨勢，但在40～70 cm區(qū)間內(nèi)呈平穩(wěn)趨勢；Y軸距中心位置的偏移幅度呈先減后增的趨勢，但在40～70 cm區(qū)間內(nèi)呈平穩(wěn)趨勢，其幅度變化范圍未超過20 %；Z軸距中心位置的偏移幅度呈先減后增的趨勢，但在40～70 cm區(qū)間內(nèi)呈平穩(wěn)趨勢，其變化值圍繞6.5 %波動.在多次重復實驗中水流情況與放置距離比對曲線如圖10所示.

圖10 水流情況與放置距離比對曲線

綜合三軸變化情況以及水流情況與放置距離比對曲線，規(guī)格為10 cm×10 cm×100 cm的玻璃廊道，由于儲水器水的巨大壓力，在入水口處紊流現(xiàn)象明顯且水流情況波動較大，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明在距廊道入水口處40 cm水流進入平穩(wěn)狀態(tài)，且水流流速為0.7 m/s，流速在0.5～1.0 m/s范圍內(nèi)，符合海底洋流流動的速度范圍.為保證水流的平穩(wěn)性，選擇距廊道入水口42 cm處為壓電能量收集器最佳放置區(qū)間的起始點.在廊道的出水口處由于水流方向增多，所以紊流情況逐漸增強，據(jù)監(jiān)測表明在距入水口處80 cm之前，水流流動相對穩(wěn)定，為確保水流的穩(wěn)定性，選擇距入水口74 cm處為壓電能量收集器最佳放置區(qū)間的終點.由此得出結論：在距離廊道入水口42～74 cm區(qū)間內(nèi)水流情況穩(wěn)定，無紊流情況發(fā)生，是壓電能量收集器最佳放置區(qū)間.系統(tǒng)實際運行過程中，在該區(qū)間內(nèi)放置3個能量收集器，前兩個能量收集器由于阻力作用會使平穩(wěn)的水流產(chǎn)生渦旋，并且第2個能量收集器對第1個能量收集器的渦旋進行放大，當水流到達第3個能量收集器時水流的渦旋最大，并且使能量收集器中壓電片的擺動幅度最大，實現(xiàn)能量產(chǎn)出的最大化.經(jīng)實踐證明，系統(tǒng)提供的壓電能量收集器最佳放置區(qū)間可以最大化的收集水流中的能量，具有實用價值.

5 結 論

仿海底洋流實驗中水流動狀況智能監(jiān)控系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術與傳感器網(wǎng)絡技術相結合，減少了由于布線為廊道內(nèi)水流情況帶來的影響；三軸加速度傳感器可以較好地監(jiān)測廊道內(nèi)水流加速度情況；采用Wi-Fi技術進行數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收可使數(shù)據(jù)傳輸具有方便性和靈活性；通過無線路由對采集的信息進行匯總，最終在監(jiān)控界面上實時顯示，顯示出系統(tǒng)具有直觀性.本文僅對規(guī)格為10 cm×10 cm×100 cm的玻璃廊道進行具體分析，如果采用其他規(guī)格廊道，只需按照此過程進行數(shù)據(jù)采集，并對其進行分析即可.系統(tǒng)運行結果表明：該系統(tǒng)可以準確地監(jiān)控廊道內(nèi)的水流情況，并且可以確定能量收集器最佳放置區(qū)間；隨著時間地推移，確定的區(qū)間內(nèi)波動幅度不大，具有強穩(wěn)定性；水流情況穩(wěn)定，未發(fā)生紊流情況，且水流速處于0.5～1.0 m/s的范圍內(nèi)，符合海底洋流的實際情況.整個系統(tǒng)具有較好的實時性、準確性和可移植性，為實驗中能量收集器放置區(qū)間的選擇提供了依據(jù)，具有實際意義.