基于北斗定位的波浪能发电装置通讯系统设计与实现

杨倩雯,王世明

(上海海洋大学 工程学院,上海 201306)



基于北斗定位的波浪能发电装置通讯系统设计与实现

杨倩雯,王世明

(上海海洋大学 工程学院,上海 201306)

除石油、天然气等资源外,波浪能作为海洋能中能量密度最高的能源,近年来成为技术攻克的热门课题。作为波浪能发电装置的另一核心技术,本文针对波浪能本身特点设计独特的通讯方案,通过北斗定位实现对设备的实时监控,能够有效降低设备损耗,精确获得设备数据,为提高清洁能源的利用率作出贡献。

波浪能;定位;通讯系统

0 引 言

海洋占据地球表面积70%,集中了全球97%的水量,蕴藏着丰富的能源,包括波浪能、海流能、温差能、盐差能等。其中,波浪能以其开发过程中对环境影响小且以机械能形式存在,是品位最高的海洋能[1]。

大部分波浪能发电装置主要分为三个阶段,第一级为波浪能捕获系统,主要通过机械装置对波浪进行收集；第二级为中间转换系统,对装置收集到的波浪进行稳向,稳速,增速；第三级即发电系统,将波浪能动能转换为电能并进行处理与储存[2]。波浪能本身是一种无规律的能源,所有发电设备均需置于海上,气候与环境的复杂性导致其高损耗率,也就更需要较为完善的监控手段与定位系统来服务发电系统,以达到最大化利用波浪能的目的。

1 北斗定位方案的选取

2016年2月,国家科技部发布“十三五”重点专项“深海关键技术与装备”,力求为我国走进和认识深海提供装备。可见用于探查深海资源、开展深海科学研究、进行深海工程作业的全海深潜水器技术和装备备受国家关注。作为全海深装备的关键技术之一的卫星定位与通信系统,就是保证及时获取海上作业装备的各项信息,以便工作人员及时完成对全海深海洋装备信息的收集、装备的回收与检修。虽然基于北斗导航定位系统的研发与应用已有很多,但是针对价格昂贵、作业时间长、海况复杂的全海深海洋装备作业需求的定位与通信系统的研制尚未成熟。

实际上,北斗定位系统具有两种工作模式,其中RDSS模式既可以进行定位又可以实现模块之间的短报文通信,但在RDSS模式下,定位或短报文通信需每隔1 min进行一次,无法满足实时监控设备状态的需求[3]。而RNSS模式可实现每秒定位一次,定位速度快、效率高,但其无法实现通过短报文通信的功能。本文采用两种方式相结合的方案,即使用RNSS模式进行定位,再将位置信息(以及待传输的信息)通过RDSS模式的短报文通信功能将定位信息传送给接收终端。

本文采用的定位方案,结合实际需要,集定位和短报文通信为一体,能够对放置于深海中的波浪能发电装置进行快速、及时的精准定位,并将位置及其相关测量信息发送至控制中心,有效的保证工作人员及时完成对波浪能发电设备的实况检测与数据接收。

2 基于北斗的方案实现硬件设计

系统硬件总体设计如图1所示,其中单片机选用C8051F023芯片,满足多串口、内带大容量FLASH且调试简便的指标。C8051F023器件使用Cygnal的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与CS-51TM指令集完全兼容,可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。

C8051F023单片机采用流水线结构,机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期,处理能力大大提高,峰值性能可达25 MIPS.

可通过单片机读取RNSS的定位信息,再通过串口通过RDSS将位置信息发送至控制中心的接收模块,获取对应信息[4]。若判断出设备潜入水下,则断开北斗模块电源,使单片机处于低功耗状态,防止过度消耗电池电量[5]。

本系统电平转换结构与调试控制电路结构图如图2,图3所示。由MAX3232组成的电平转换电路主要完成对WAVECOM串口和单片机串口2的RS232电平转换。电平转换部分的作用有两个。一是将单片机的串口2经RS232电平转换与计算机的串口相连,用于实现对单片机软件内系统参数修改功能及其它复用数据传输功能;二是将单片机的串口0经RS232电平转换与SIMCOM 900S串口相连,用于实现对单片机程序运行进行监视。调试功能JTAG部分完成主机与单片机程序的调试、下载烧写等,复位电路完成系统上电复位,以及按钮复位功能。

3 设备通讯方案

由于波浪能设备大多用于远海作业,故数据传输与通讯即成为波浪能发电中极为重要的一环。通过无线通讯方式将测得的参数传输到测控中心,后台分析现场发电机的运行状态,获得参数指标(包括电流,电压,海洋能轮机转动速率,发电功率等)。直流负载的控制同样采用远程无线方式完成,采用这种无线传输控制方案可以远程完成负载的投切、调整功能[6]。充分考虑到海洋现场环境的恶劣性对数据传输造成的强干扰,在信号传输方面考虑双通道方式,两者互为备份。当其中一个通道出现异常时,另外一个通道自动完成信号的上行、及下行功能。设备实际通讯方案如图4所示。将设备置于波浪条件相对优越的厦门进行海上试验,利用移动基站与现场电柜的交互,通过SGSN-GPRS网关,由路由器实现数据传输,通过建立数据服务平台,即可分别从厦门与上海对用户进行访问,实现设备监控。

无线终端完成与直流电表的485通讯,可以将现场的海洋能变换成的直流电电压、电流、功率等信号实时发送到海洋大学服务器,可以在厦门远程VPN方式访问上海海洋大学数据服务中心,远程数据发送到项目组自主开发的后台软件并进行显示,如图5所示。

4 结束语

经过反复修改程序和多次软、硬件调试可以实现电子负载和单片机系统之间的正常通讯,系统所采用的RNSS与RDSS相结合获取定位信息的方式也得到验证,有效实现了对波浪能发电装备的远程信息采集与控制,为波浪能的更加高效的开发与利用作出贡献。

[1] 张婷婷.海洋集成供电系统储能技术的研究[D].华北电力大学,2014.

[2] ZHENG Y H, SHEN Y M, YOU Y,etal. Hydrodynamic properties of two vertical truncated cylinders in waves[J]. Ocean Engineering, 2005, 32 (3): 241-271.

[3] 吴甜甜,张云,刘永明,等.北斗/GPS组合定位方法[J]. 遥感学报，2014，18(5)：1087-1098.

[4] LEE J Y, KIM H S, CHOI K H,etal. Adaptive GPS/INS Integration For Relative Navigation[J]. GPS Solutions, 2016(20):63-75.

[5] HERBERS T H C, JESSEN P F, JANSSEN T T,etal. Observing ocean surface waves with GPS-tracked buoys[J].Journal of Atmospheric And Oceanic Technology, 2012,29(7):944-959.

[6] 万常凡.北斗短报文通信及北斗/GPS定位终端：中国204334968U[P]. 2015-01-16.

Design and Implentation of the Wave Energy Power Generation Device Communication System Based on BeiDou Positioning Research

YANG Qianwen,WANG Shiming

(CollegeofEngineeringScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

As well as oil, natural gas and other resources, as for the wave energy is the highest energy for the ocean waves,already have been a hot topic technology to conquer in recently years. As another core technology of wave energy power generation system, this paper according to the characteristics of the wave energy itself unique design of the communication system, Through BeiDou positioning to realize timely monitoring of equipment, can effectively reduce the loss of equipment, equipment data are obtained,contribute to the utilization of clean energy increase.

Wave energy; positioning; communication system

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.027

2016-09-22

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0127-03

杨倩雯 (1992-),女,硕士生,主要从事波浪能发电装备系统研究。

王世明 (1964-),男,博士,教授,主要从事海洋工程先进制造及智能控制研究。

联系人:杨倩雯E-mail: 18801771986@163.com