基于LabVIEW与SQL server设计的浮标电源远程管理系统

张大海，齐亮，丁圆强，姜涛，郑凯，姚抒均

(齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001)

目前，我国在位运行的大型海洋浮标已有将近200套[1-2]，并且其数量仍然在不断增长。长期以来，大型海洋浮标电源系统都是直接采用太阳能电池板、大功率二极管和蓄电池组相结合的方式，其中大功率二极管起到防止电源反充的作用，这种方式优点是操作简单、成本低，但是也有很多弊端，如蓄电池组易过充过放，严重影响蓄电池寿命；浮标在海上长时间无人值守，无法实时了解电源系统运行状况等等。自2013年起，大型海洋浮标陆续更新安装太阳能保护器，从而使浮标电源的充放电得到有效控制。但是对浮标电源系统的实时监控管理，仍然缺乏一种行之有效的方法。

因此，本文提出了一种基于LabVIEW与SQL server的浮标远程电源管理系统，设计了浮标上使用的硬件电路电源控制系统，以及基于LabVIEW与SQL server的岸基数据接收处理中心，通过网络与北斗通讯，能定时/实时获取浮标电源数据，并远程控制浮标电源通断。其监控的电源数据，涵盖太阳能电池组，蓄电池组，负载设备的电压、电流、功率，蓄电池组的年、月、日充电量，负载设备的年、月、日用电量，浮标舱内温度等以及浮标电源系统的运行状态信息，既可以让用户实时直观地看到浮标电源的状态和总体变化趋势，也可以为浮标以后的维修升级提供重要的电源方面参考依据。

1 总体设计

本文设计的浮标远程电源管理系统结构示意图见图1，中控板为浮标电源控制系统的控制中心，以RS485方式与4个太阳能保护器连接，以RS232方式与DTU网络通讯机[3]或者北斗通讯机连接，采用定时方式向4个太阳能保护器索取电源系统数据，然后通过网络通讯[4]或者北斗卫星通讯[5]，将电源系统数据传输至岸基数据接收处理中心的终端软件，并保存到SQL server数据库[6]。岸基数据接收处理中心的终端软件，可以远程向中控板发送指令，采集实时数据、控制浮标电源输出的通断。本电源管理系统独立于原有的浮标数据采集系统[7]之外，不受数据采集系统故障的影响。系统还具有远程强制断电重启功能，一旦浮标数据采集器程序死机，可对其远程强制断电重启，以恢复其正常运行。

图1 系统结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of system structure

2 硬件设计

电源控制硬件电路部分安装于浮标上，包括中控板、网络通讯机(DTU)或者北斗通讯机、太阳能保护器。其中中控板采用C8051F021单片机做为MCU芯片，其硬件电路主要包括MCU模块、电源模块、SD2200时钟模块、RS485通信模块、RS232通信模块、SD卡存储模块。中控板硬件电路组成结构见图2。MCU通过SMBUS总线向SD2200时钟芯片获取当前时间，在到达预定时间之后，控制继电器给DTU或者北斗供电，并通过RS485接口向太阳能保护器发送指令，启动一次数据采集，然后将采集到的数据按照通信协议编码保存到SD卡中，并发送给岸基数据接收处理中心的终端软件；在接收到岸基数据接收处理中心发送过来的远程指令后，MCU会对指令进行识别，做出相应的动作。

图2 浮标硬件电路组成结构图Fig. 2 Structure diagram of buoy hardware circuit

3 岸基数据接收处理中心终端软件设计

3.1 终端软件设计思路

岸基数据接收处理中心终端软件使用NI公司的LabVIEW2014开发环境设计，LabVIEW是一种图形化的编程语言，又称为G语言，包含GPIB、VXI、PXI、RS-232、RS-485和网络通信等诸多功能，其强大的数据采集和处理显示功能，使其在工业测控领域得到广泛的应用[8]。

本文所设计的终端软件由网络通信模块、串口(北斗)通信模块、SQL数据库交互模块、用户界面控件4个主要部分组成，具备数据接收处理并显示、数据保存SQL server数据库、远程获取浮标实时电源数据、远程控制浮标电源输出通断、浮标电源异常报警、查询数据库历史数据等功能。采用多线程并行运行的设计思想，提高了程序的运行效率，同时也避免了程序在处理数据时，大量占用CPU，导致用户界面反应迟钝、卡死；软件的很多功能采用模块化编程[9]，各功能模块相对独立，功能单一，方便程序维护升级，也有利于代码的重用；网络通信模块和串口(北斗)通信模块均采用状态机方式实现，使模块中多个事件之间的逻辑关系更加简洁明了[10]，提高了程序的可读性。本软件对SQL server数据库的操作访问是利用LABSQL工具包实现的，LABSQL通过Microsoft ADO以及SQL语言完成对数据库的访问，将复杂的底层ADO和SQL语句封装成功能函数[11]，从而简化了LabVIEW用户对SQL server数据库的操作，可以显著提高编程效率。

3.2 终端软件工作过程

(1)首次启动终端软件时，需设置北斗串口号、网络端口号、通讯方式等通讯参数以及数据库名、用户名、密码等数据库参数，配置完毕后保存配置，重启软件即可完成初始化。

(2)软件启动成功后会根据配置的通讯方式，监听北斗串口或者网络端口，等待浮标上线，传回数据。

(3)当有新报文到达时，会对报文进行校验，只有长度和格式符合通信协议的报文才会进行处理。报文按照通信协议解码之后，保存至SQL server数据库，原始报文保存成txt文本，然后将解码出来的数据在全局监控界面以表格形式显示，在实时监控界面以文本和实时曲线形式显示。数据接收处理流程见图3，实时监控界面见图4。

图3 数据处理接收流程图Fig. 3 Flow chart of data processing and receiving

图4 实时监控界面Fig. 4 Real-time monitoring interface

(4)实时获取浮标电源数据功能，在浮标上线期间，可以在软件左侧的在线浮标栏，选中欲控制浮标，在实时数据界面，点击“实时数据”按钮，软件通过网络或者北斗通讯，向浮标上的中控板发送采集指令，中控板接收到指令后，将会启动一次数据采集，并将采集到的数据通过网络或者北斗通讯，发送给终端软件，从而实现远程获取该浮标电源当前数据。

(5)对浮标数据采集系统的强制断电重启功能，在浮标上线，与终端软件连接通信期间，点击“打开输出”/“关闭输出”按钮，终端软件通过网络或者北斗通讯，向浮标上的中控板发送打开/关闭电源输出的指令，中控板接收到指令后，控制太阳能保护器打开/关闭浮标蓄电池组输出。远程将蓄电池组输出关闭，停止向浮标数据采集系统供电，然后再将蓄电池组输出打开，重新向浮标数据采集系统供电，即完成一次对浮标数据采集系统的强制断电重启。远程操作类按钮默认为禁用状态，需点击激活按钮，并输入密码后，方可使用，防止误操作。

以打开浮标的蓄电池组的输出为例，首先等待欲控制的浮标上线，再在线浮标栏选中此浮标，点击“打开输出”按钮，此时终端软件会通过网络或者北斗通讯，向浮标上的中控板发送预处理指令，中控板收到此指令后会将程序中打开标志变量置1，同时终端软件会弹出确认窗口，点击“确定”按钮后，终端软件会向中控板发送确认指令，中控板收到确认指令后，即向太阳能保护器发送打开输出命令，实现打开电源输出操作。一个打开电源输出操作需两次指令完全正确才会执行。

(6)如需查询某浮标的电源历史数据，可在数据查询界面，选择该浮标号、控制器ID、欲查询时间，点击“综合数据查询”或者“单一数据曲线”按钮，从SQL server数据库中读取相应的数据，以表格或者曲线图的形式予以显示。查询单一数据曲线程序框图见图5，某时间段负载电流曲线图见图6。

图5 查询单一数据曲线程序框图Fig 5 Program block diagram for querying a single data curve

图6 查询某时间段负载电流曲线Fig 6 Load current curve for a certain time period

4 浮标现场拷机测试

2018年4月16号开始，本系统安装到位于青岛沙子口码头的10 m大型海洋浮标上，进行浮标现场拷机测试，经过一周的连续运行，数据接收率100%。

图7 2018.4.17 13:00—2018.4.20 22:00浮标发电功率变化曲线Fig 7 Variation curve of buoy power generation from April 17, 2018 13:00 to April 20, 2018 22:00

图8 2018.4.17 13:00—2018.4.20 22:00浮标太阳能阵列电压变化曲线Fig 8 Voltage variation curve of buoy solar array from April 17, 2018 13:00 to April 20, 2018 22:00

图9 2018.4.17 13:00—2018.4.20 22:00浮标舱内温度变化曲线Fig 9 Temperature curve in the buoy cabin from April 17, 2018 13:00 to April 20, 2018 22:00

曲线图7 ～ 9中，2018.4.17 13:00—2018.4.20 22:00时间段内浮标发电功率、太阳能阵列电压和浮标舱内温度的变化趋势基本一致。可以分析出随着光照强度的增大，浮标温度上升，太阳能阵列的发电功率也随之增大，直至蓄电池满电后，充电电流变小，发电功率降低，稳定在补偿性的浮充充电状态。

由图10的浮标电源数据可以看到，随着日照强度的增大，浮标发电功率也随之增大，浮标进入提升充电状态，以恢复晚上损失的电量，直至中午10:54，4组蓄电池均满电，进入补偿性的浮充充电状态，也验证了对曲线图7～9的分析。

图10 2018.4.20 05:00—13:00浮标电源数据Fig10 Buoy power data from 05:00 to 13:00 on April 20, 2018

通过以上实例分析，证明本系统可以为用户提供较为详细的电源数据，方便用户了解和总结浮标电源的运行规律和状态。

5 结语

本远程电源管理系统能实时、准确地获取浮标的电源数据，并直观地予以显示，可以使浮标电源的工作状态有一个量化呈现，方便用户及时掌握和分析浮标电源的运行情况、整体变化趋势，以及电源系统异常和隐患，并且，在发现浮标数据采集系统或者某传感器运行异常后，可远程对其强制断电重启，可省去租船出海维修的费用，有效减少浮标运行成本。