基于北斗卫星通信的波浪能监控系统设计与应用

霍海波,许逸,王世明,赵举,杨波

(上海海洋大学 工程学院,上海 201306)



基于北斗卫星通信的波浪能监控系统设计与应用

霍海波,许逸,王世明,赵举,杨波

(上海海洋大学 工程学院,上海 201306)

波浪能发电已成为缓解能源危机的有效手段之一。然而波浪能发电功率低,发电系统不稳定,因此对波浪能发电装置的位置及运行状况监控极其重要。本文利用北斗卫星的双向通信,设计了一种监控系统,监测波浪发电系统运行情况,并将信息转至远程监控中心,便于远程监控。实验结果表明,该监控系统能够起到监控作用,优化输出功率。

波浪能发电;北斗卫星通信;远程监控

0 引 言

随着煤炭、石油、天然气等资源日益枯竭及对环境造成的污染,人类迫切地需要开发清洁、可再生的能源以缓解能源危机。其中波浪能具有分布广泛,能量高等优势,成为国内外研究的热点[1]。但是波浪时刻变化,不利于集中收集能量,导致发电效率低下[2-3]。黄忠洲[4]研究了波浪能发电系统的负载阻值对输出功率影响——负载阻值达到某一定值时,输出功率最大。然而波浪能装置在海上工作时,最佳的负载阻值也会随着波浪变化而变化,且波浪发电转置离岸较远,近距离设置负载阻值和监控难以实施。

为实现远程监控波浪能发电系统,本文采用中国自主研制的北斗导航系统,该系统的主要功能为北斗卫星快速准确定位及双向通信,且由于是我国研发,该通信系统具有高度的保密性,通信过程安全可靠[5-6]。

基于北斗卫星的双向通信,本文设计了一种波浪监控系统,即通过北斗卫星通信远程监控波浪能发电系统的转速、负载、功率等信息,设置最佳负载,优化系统输出功率。

1 监控系统工作原理

该监控系统由三个部分组成,第一个部分,波浪能发电系统数据采集;第二部分,地面控制中心;第三个部分,监控中心数据处理,系统框图如图1所示。

图1 远程监控系统框图

系统的工作原理:

1) 波浪发电采集端将发电机转速、系统负载阻值、功率、位置等信息发送给北斗卫星通信终端;

2) 北斗卫星通信终端收到信息后,发射信号给卫星申请通信要求,卫星接收到信号后转发至地面控制中心;

3) 地面控制中心收到信号,进行解读,并将解读后信息返还至卫星;

4) 卫星在收到返还信息后,再发送至远程监控中心,实现双向通信[7]。

2 监控系统硬件设计

2.1 波浪发电采集端

波浪发电采集端由单片机、光电编码传感器、电子负载组成。其核心单片机STM32F103ZET6是一款低功耗的、低成本的工业级单片机,主频72 MHz,具有64 kB的SRAM、512 kB的Flash、2个基本定时器、4个通用定时器、5个串口[8]。当电机带动码盘转动时,码盘每经过一个栅格,传感器输出低电平信号便于单片机捕获,而未经过栅格时传感器输出高电平信号。传感器输出的信号如图2所示。STM32单片机的IO接受到信号后,利用定时器捕获,计算得出转速。

图2 传感器输出信号

2.2 北斗卫星通信终端

北斗卫星通信终端采用ATK-S1216F8-BD北斗通信模块,模块核心为SkyTraq 公司的S1216F8-BD模组,具有167个通道,追踪灵敏度高达-165 dBm,测量输出频率最高可达20 Hz.该模块冷启动时间在30 s左右,定位精度为2.5CEP,通信接口为RS232串口,通信定位频率<1次/min,接口波特率为1200～38400 bps.北斗通信模块电路如图3所示。

图3 北斗通信模块电路

3 监控系统软件设计

3.1 NEMA-0183协议简介

北斗模块的定位使用了NMEA-0183协议, 该协议由美国国家海洋电子协会(NMEA)制定,是海用电子设备通信的标准格式。目前,已成了GPS导航设备统一的RTCM标准协议。该协议采用AS-CII码来传递GPS定位信息,称之为帧。帧的形式:＄aabbb,ccc,ccc,…,ccc*dd(CR)(LF)

1) “＄”:帧起始位;

2) aabbb:地址域,其中(aa)为识别符,(bbb)为语句名;

3) ccc…ccc:数据位;

4) “*”:校验和前缀(或为语句数据结束的标志);

5) dd:校验和,＄至*之间各个字节异或运算得出校验和,进而转为16进制的ASCII字符;

6) (CR)(LF):帧结束位,回车和换行符[9]。

通过北斗卫星,把帧发送到远程监控中心,转换为易于理解的信息并显示。

3.2 单片机软件设计

单片机程序主要由主程序及串口设置电阻、数据采集、数据发送等子程序构成。全部程序都在Keil uVision5开发环境下采用C语言编译。单片机上电后,对定时器、串口等硬件初始化后,进入主循环,将转速计算得出,并进行北斗定位,依托北斗双向通信优势,根据北斗卫星发送来的指令,设置电子负载的阻值,同时将定位信息及负载、转速信息发送给北斗卫星[10]。

在测速程序中,使用了定时器捕获用于捕获传感器的低电平,根据传感器输出的如图2所示的信号波形,由捕获到低电平的时间可计算转速。串口设置电阻子程序中,波特率设置为115200 bps,RS232串口发送ModBus数据帧,设置电子负载的负载阻值;同样,发送ModBus数据帧,读取电子负载参数。最后,数据发送子程序将所有数据发送北斗通信终端,实现远程监控功能。图4示出了单片机程序流程图。

图4 单片机程序流程图

3.3 远程监控上位机软件设计

远程监控端也采用ATK-S1216F8-BD北斗通信模块用于接收采集端发送的信息,并将信息显示于上位机。上位机程序在LabVIEW软件中编写,程序流程图如图5所示。

图5 上位机程序流程图

4 监控系统运行与测试

4.1 监控系统运行

STM32单片机读取转速、电子负载参数、定位信息,并将数据通过北斗通信终端及卫星最终发送给远程监控中心上位机。

远程监控端收到北斗卫星发送的指令,显示到上位机。如图6所示,该北斗卫星定位位置为(121.533074E, 30.5316.57N),高度为-2.4 m,速度为3.72 km/h,卫星数量12颗。查看系统负载阻值与转速,可以根据系统的运行情况手动加载负载阻值,如 Res_To_Mod(511)函数,设置负载电阻为51.1Ω,改变函数的参数即可改变负载阻值。根据北斗通信终端收到的信息,单片机会执行相应的指令,实现远程监控,如图7所示,单片机设置了电子负载阻值。

图6 上位机显示系统信息

图7 加载后电子负载

4.2 监控系统测试

在国家东海标准计量中心的水槽中进行实验,将波浪能发电机接上电子负载的输入和输出端,STM32单片机根据远程监控中心的指令,自动改变负载阻值。在不同的流速下进行了多组实验,通过远程监控上位机记录数据和设置电阻,优化电子负载的输出功率,记录功率最大时刻的实验数据,如表1所示。可以得出,流速增大,转速增大,最佳负载阻值也会随之变化,功率程递增趋势;位置变动呈递减趋势,直至第四组不再变化,速度也呈递减趋势,整体趋于稳定。

表1 不同流速下最佳负载阻值及功率

5 结束语

本文为实现波浪能发电的远程监控,并优化输出功率,设计波浪能发电监控系统。从实验结果得出,远程监控中心能够实时监控系统运行情况,如定位信息、转速、负载等,并可通过改变电子负载的阻值,找到最佳负载,输出最大的功率。实践证明,该设计既减少了人为设置负载的不便,又提高了输出功率;利用北斗卫星通信实现了高效、可靠的远程监控。

[1] 周广钰.船舶上可装载的波浪能发电装置设计[J].舰船科学技术,2015,37(7):216-220.

[2] 刘正奇.波浪发电装置低输出状态的利用研究[J].机电工程技术,2003,32(6):24-25.

[3] 张丽珍,羊晓晟,王世明,等.海洋波浪能发电装置的研究现状与发展前景[J]. 湖北农业科学,2011,50(1):161-164.

[4] 黄忠洲,余志,蒋念东.OWC波能转换装置输出控制技术的研究[J].节能技术,2006,24(3):212-216.

[5] 左剑峰.北斗卫星通信在物联网民用领域的技术应用[J].中国新通信,2013,18(13):69.

[6] 成方林, 冯林强, 张翼飞. “北斗”导航系统在海洋水文、气象监测系统中的应用[J]. 海洋技术,2004,23(3):70-73.

[7] 廖斌,王洪辉,庹先国,等.基于北斗通信的滑坡监测系统设计[J]. 自动化与仪表,2014(5):22-25.

[8] 刘军,张洋,严汉宇,等. 原子教你玩STM32[M].北京航空航天大学出版社,2013.

[9] 钱德俊,张哲,胡晨. NMEA0183协议解析[J]. 电子器件,2007,30(2):698-701.

[10]胡斌. 基于北斗通信的多参数波浪浮标岸站数据处理中心系统设计[D].青岛:中国海洋大学2013.

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

国家海洋局2013年海洋可再生能源专项(编号：SHME2013JS01); 上海市教委创新项目(编号：S201610264063)

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0070-04

霍海波 (1976-),女,山西忻州人,副教授,主要从事波浪能发电及监控系统研究。

许逸 (1993-),男,江苏苏州人,研究生,研究方向为波浪能优化与控制。

王世明 (1964-),男,山西忻州人,教授,主要从事海洋可再生能源及海洋工程装备的研究。

联系人: 许逸 E-mail: 547374845@qq.com