風光互補發電無人值守自動觀測站的設計

劉 頡，梁 捷，楊 逍，呂九紅，張曉娟，趙宏彬

（國家海洋技術中心，天津300112）

風光互補發電無人值守自動觀測站的設計

劉 頡，梁 捷，楊 逍，呂九紅，張曉娟，趙宏彬

（國家海洋技術中心，天津300112）

針對我國近海海洋觀測的現狀和存在的問題，研制一種安裝結構簡單，無需架設電源線和通信線，供電采用風光互補發電系統，通信采用無線通信網絡，并具有視頻監視功能的高可靠性、無人值守自動觀測站。

自動觀測站；數據采集；看門狗；GPRS；視頻監控；EVDO；風光互補發電系統

自動觀測站是公益性項目天津濱海新區風暴潮監測預報預警技術與示范的重要組成部分。項目的目標是完善風暴潮實時監測，改進監測監視的手段，整合優化觀測站點和監測數據采集網絡，實現可視化監視，建立濱海新區小區域、精細化溫帶風暴潮增減水數值預報模式，利用高精度風暴潮漫灘數值模式實現風暴潮災害淹沒風險評估。

現有的海洋災害監測和預報預警技術，在防災減災方面發揮了很大的作用，但仍然存在如下的不足：目前的站點分布不足，實測數據較少；目前的觀測站點缺乏監測監視的可視內容，不能為決策提供現場風浪、增水情況等直觀信息，手段急需更新提高；觀測站點多面廣，比較分散，遠離電網，若通過電網向觀測站供電，架設線路長，投資較大，效益差。與發達國家相比,我國設在近海海域用于海洋觀測的臺站數量明顯偏少,觀測站點密度極低,急需大量增設岸基海洋觀測站點，尤其是安裝方便、結構簡單的無人值守自動觀測站點。

針對以上問題研制了無人值守的基于風光互補發電系統可視化實時觀測自動觀測站，本文主要介紹了基于風光互補發電系統可視化實時觀測自動觀測站的設計。

1 自動觀測站的設計

自動觀測站是系統的重要組成部分，圖1為自動觀測站整體效果圖；自動觀測站功能框圖如圖2，由采集控制系統、風光互補發電系統、風傳感器、氣壓傳感器、水位傳感器、視頻傳感器、視頻控制器、無線路由器、無線DDN數據終端（DTU）、GPS、LED路燈、備份網絡等組成。

自動觀測站主要功能是采集存儲觀測站潮位、氣壓、風速、風向實測數據和現場圖像信息，實現對現場風浪、增水情況的實況可視化監視。潮汐、風向、風速、氣壓等水文氣象數據實時觀測，每1 min數據中心通過無線網絡向觀測站要一次數據；視頻監視由用戶遠程無線控制，按需開啟，視頻數據經壓縮編碼后實時傳輸至數據中心，用戶通過數據中心間接訪問測站視頻；用戶可遠程控制路燈打開、關閉，實現全天候觀測；觀測站由風光互補發電系統供電，無需外接市電。

圖1 自動觀測站整體效果圖

2 采集控制系統的硬件設計

自動觀測站采集控制系統框圖如圖3。由于觀測站都是位于海邊且無人值守的，所以器件均需選擇低功耗、高可靠性的工業級芯片。

圖2 自動觀測站功能框圖

圖3 自動觀測站采集控制系統框圖

2.1 控制處理器PhyCORE-591

單板機PhyCORE-591板上的標準存儲配置為128 kB外部SRAM和128 kBFlash，用于儲存用戶代碼。引腳管座整齊地排列在板的兩邊，使其能夠象一個“大芯片”那樣插入目標應用和標準的試驗、開發板。自由的芯片選擇信號使它能方便地接入外部設備。

2.2 雙路數據采集板

采集控制系統通過基于I2C總線的智能傳感器轉換器完成對風傳感器、氣壓傳感器、水位傳感器的數據采集、存儲（存儲1 a觀測數據）。為了實現多個傳感器的同時采集,采用模塊化,開放式設計思想,在測量單元主控制器外擴展了多個采集模塊.設計了基于I2C總線的多路RS232/485智能傳感器轉接口。這樣不同的傳感器可以同時工作,在傳感器工作的同時,主控制器可以進行其它的工作,不必一直等待，轉換模塊可以增加采樣頻率，通過對數據進行濾波，提高數據質量。

對于觀測系統，多傳感器數據采集與數據處理歷來是系統設計中的關鍵和難點。傳統的多傳感器測量通常采用集中測量方式，即一個控制器通過多個I/O口直接連接多個傳感器，所有傳感器的采集、必要的處理和存儲操作由一個控制器完成。這使得測量系統的通用性不強，當增加或更換不同的傳感器時，系統不易更改，而且會使得系統控制復雜度越來越高，這種控制方式對處理器的性能要求較高，可靠性降低。另外，由于各個傳感器接口方式和協議不同，使得多個傳感器的控制方式很難統一，造成系統開發和維護難度增加，不利于今后的使用。另外，隨著傳感器技術向智能化和數字化發展，傳感器接口趨于智能化和數字化，對于這種接口方式，集中方式一般采用設備數據通道分時復用的方法，也就是主控制器的一個串行接口直接與多個傳感器和設備通信，某一時刻只能有一臺設備接收控制器的命令、采樣并發回數據，其他設備處于空閑等待狀態。通過控制器不斷的切換通道完成多傳感器的測量。這種測量方式在實時性要求不高、測量設備較少或數據密度要求不高的情況下可以使用。由此可以看出，傳統的集中測量方式很難適應這些變化。我們采取了一種分布式測量方式，能夠克服上述弊端，適應傳感器智能化的發展，適應觀測不同目的需求的多種要素測量配置，并且在時間和空間上滿足同步、實時測量的要求。

雙路數據采集板采用總線式棧接結構，可方便擴展，使用兩塊采集板，如系統需要增加傳感器，可方便擴展，無需更改硬件電路。通過實際測試證明，基于I2C總線的多傳感器同步測量系統可以滿足應用需求，穩定地獲取多個傳感器的測量數據，實現多臺傳感器的同步、實時測量，為集成測量系統多傳感器的數據采集、存儲和傳輸提供了很好的解決方案。本系統硬件和軟件設計都使用了開放式的結構，添加設備相對容易，可以滿足不同系統的測量需求，具有很好的可擴展性和通用性。在相關系統應用領域具有重要實用意義。

圖4為基于I2C總線的智能傳感器轉換器圖。

圖4 基于I2C總線的智能傳感器轉換器圖

2.3 看門狗

由于自動觀測站是無人值守的，對可靠性要求很高，系統采用Microchip公司單片機PIC12F509作為看門狗電路，提高系統的可靠性。電路如圖5。

圖5 看門狗電路

看門狗是一個定時電路。這個電路平時只要一通電，就會不斷計數；計滿一定的時間后，產生一個溢出信號，該信號被接到單片機的RST端，引發系統復位。主CPU正常工作時，每隔一段時間（60 s）就輸出一個信號到喂狗端，用來讓定時器清零（俗稱喂狗），從而避免了在正常工作狀態下被復位。當程序跑飛或死機時，超過規定的時間不喂狗，就會觸發系統復位。看門狗的作用就是防止程序發生死循環。本電路在完成以上功能的基礎上，還可對串口、I2C總線實施監控，當其出現異常時，也對系統復位。

本看門狗的電路特點：

（1）外圍電路簡單，只要一個芯片沒有其它外圍電路；

（2）不需更改外圍電路即可改變喂狗周期；

（3）監測靈活，可同時監測多組信號；

（4）功耗較低；

（5）芯片內嵌入時鐘程序或外接時鐘芯片可作為值班電路，控制系統上電、掉電。

2.4 風光互補發電系統電壓監測

在自動觀測站采集控制系統中，為防止風光互補發電系統對測量傳感器的干擾，必須將測量系統和風光互補供電系統進行電氣隔離,所以電壓監測信號也要隔離。本系統選用線性光耦HCNR201是美國HP公司推出的高精度線性光耦，具有低成本、高線性度、高穩定度、頻帶寬、設計靈活的優點。

圖6為風光互補供電系統電壓監測電路，系統每分鐘采集一次供電電壓并傳送到數據中心，數據中心實時了解供電情況；如果供電電壓較低，系統進入省電模式，只完成傳感器數據采集、存儲、傳輸工作，待電壓正常后回復正常的工作模式。

圖6 風光互補供電系統電壓監測電路

2.5 K9K8G08UOM存儲器與PhyCORE-591的接口設計及應用

系統選用K9K8G08U0M作為大容量存儲器，它是大容量、高可靠性的NAND存儲器。其存儲容量為1G字節(1 G*8 bit)，可存儲20 a的觀測數據，即使數據需要容錯備份，也可存儲10 a數據；可將數據線與地址線復用為8條I／O線，并分別提供命令控制信號線；命令、地址和數據信息均通過8條I／O線傳輸.不會因存儲容量的增加而增加引腳數，從而極大方便系統設計和產品升級，而無需更改外部硬件連接可方便地升級為2 G字節或更高。因此成為嵌入式系統中實時存儲大容量數據的最佳選擇，非常適合大容量、小體積、低功耗系統的使用。

3 采集控制系統的軟件設計

觀測站主控制程序主要功能是定時采集各個傳感器的數據、存儲原始數據、將數據傳輸給數據中心，實現上層數據中心和底層傳感器的軟件控制與連接。向上通過無線DTU接收來自數據中心的控制命令，處理命令后通過DTU向數據中心發送回復命令。向下通過I2C總線訪問多個傳感器控制器，傳感器控制器與傳感器之間是一對一連接。

觀測站主控制程序實現定時采集三個傳感器的數據，對接收到的風速、風向數據和水位數據進行處理，將采集到的數據按照約定的命令格式通過無線DTU發送給上層數據中心。之后將此數據按照一定的格式存儲在Flash中。

觀測站主程序要隨時可以接受來自上層數據中心的命令，做出正確的處理并給與回復。需要處理的命令主要有：

（1）每分鐘獲取準實時數據命令；

（2）開關路燈電源命令；

（3）開關視頻電源命令；

（4）開關備用網絡電源命令

（5）獲取此前特定時刻（1 a內）的數據命令；

（6）復位采集控制系統命令；

命令的接收與處理方式是開放式的，可供以后添加命令。

為了使每次采集到的數據有準確的時間標簽，觀測站主控制程序有校時功能。每次程序啟動時，都要通過串口訪問GPS模塊，在獲取了準確的時間信息之后，對系統RTC中的時間進行更新。

4 自動觀測站的數據傳輸

4.1 概述

測站分布在沿海地區，彼此距離較遠，專線的架設和使用費用較高，不適宜。所以考慮用無線傳輸方式。

需要傳輸的主要潮汐、風向、風速、氣壓觀測數據和視頻圖像。潮汐、風向、風速、氣壓等水文氣象數據實時觀測，根據《海濱觀測規范》的要求，數據中心每1 min要一組觀測數據，數據用戶通過數據中心訪問水文氣象數據；視頻監視由用戶控制，按需開啟，視頻數據經壓縮編碼后實時傳輸至數據中心，用戶通過數據中心間接訪問測站視頻。

4.2 組網形式

由于水文氣象數據和視頻數據對網絡要求不同，水文氣象數據特點是數據量小、實時連續傳輸，而且對保密性和可靠性有要求，因此還要考慮網絡私密性；視頻數據特點是雖然數據量大，但不需要24 h連續傳輸，而且無保密要求，因此網絡傳輸只需要保證高速率。基于以上原因，考慮視頻數據傳輸網絡與水文氣象數據傳輸網絡分開。

4.2.1 水文氣象數據傳輸網絡

水文氣象數據傳輸網絡如下：水文氣象數據中心通過基于GPRS或者EDGE的無線路由器接入；各個測站采用DTU方式接入；中國移動對所有接入通過APN方式組成局域網。圖7為水文氣象數據傳輸網絡示意圖。

圖7 水文氣象數據傳輸網絡示意圖

水文氣象數據傳輸網絡采用GPRS無線數據通信系統，以中國移動的GSM/GPRS網絡為通信平臺，通過無線數據傳輸終端設備(GPRS DTU)，在用戶設備與數據中心之間建立完全透明、可靠的串行數據傳輸通道。采用GPRS數據傳輸終端進行應用開發，不必關心GPRS網絡協議、TCP/IP協議等。

GPRS是通用分組無線業務(General Packet RadioService)的英文簡稱，是在原有GSM系統上發展出來的一種承載業務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業務。GPRS采用與GSM同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的突發結構、同樣的調頻規則以及同樣的TDMA幀結構，這種分組數據信道結構與電路交換的話音業務信道極其相似。因此現有的基站子系統(BBS)從一開始就可以提供全面的GPRS覆蓋。

GPRS是一種覆蓋面廣、組網靈活、安全可靠、接口簡單、透明傳輸的中小數據量專用無線數據傳輸系統。GPRS通信模式特點突出：

（1）永遠在線：GPRS DTU一開機就能自動連接到GPRS網絡上，并與用戶數據中心建立通信鏈路，隨時收發用戶數據設備的數據，具有很高的實時性；

（2）按量計費：GPRS DTU一直在線，按照接收和發送數據包的數量來收取費用，沒有數據流量的傳遞時不收費用；

（3）組網簡單安全：GPRS系統可以通過中國移動的APN模式構建與Internet隔離的專屬的局域網，既為用戶提供私密的網絡環境，又同時保持接入便利、擴容簡單、節省接入投資等優點；

（4）維護費用低廉：由于采用中國移動的GPRS數據業務，因此鏈路維護也由中國移動負責，免除通信鏈路維護的后顧之憂；

（5）安全可靠：由于采用中國移動的GPRS數據業務，所以在不影響上網的前提下，GPRSDTU的發射功率非常小，天線非常短，而且無需高架，克服了有線傳輸和無線電臺傳輸容易引雷擊壞設備的缺點。

4.2.2 視頻數據傳輸網絡

視頻監視采用EVDO移動數據網絡進行組網和數據通訊。它的具體內容包括：視頻監控的視頻主機將視頻數據壓縮、打包，然后通過EVDO無線路由器接入網絡，視頻數據中心接收端軟件接收數據并分發給監控終端軟件，通過監控軟件，實時掌握各個被監控點的情況，并對發生的情況做出反應和處理，如圖8。

EVDO無線網絡視頻監控系統是基于電信的EVDO 3G網絡，主要由以下三部分組成：視頻的采集壓縮模塊、3G無線路由器、中心的監控管理平臺和客戶端監控軟件。系統結構簡潔明了，擴展性好，能適應多變的監控要求。

圖8 無線視頻監控系統結構示意圖

5 風光互補發電系統

觀測站點多面廣，比較分散，遠離電網，若通過電網向觀測站供電，架設線路長，投資較大，效益差。根據觀測站用電負荷小、可靠性要求高、遠離電網的特點，結合濱海新區的氣象條件，海邊有著豐富的風能和太陽能資源，全年都有很充足的風能和太陽能，特別是夏季的光照時間長強度高而冬季的風很大，風能和太陽能的時間互補性很強；并且周邊比較開闊，障礙物少，為推廣風光互補發電系統提供了極好的自然條件。采用風力發電和太陽能發電互補供電的技術向觀測站提供電源，可確保觀測站正常運行。

風光互補供電系統具有以下特點：

（1）無需架設電纜、一次性投資低，建設工期短；

（2）資源可再生、沒有后續能源費用，符合國家能源發展戰略；

（3）彌補了風電和光電獨立系統在資源上的缺陷；

（4）清潔、不造成環境污染；

（5）使用壽命較長，維護、管理方便；

（6）在野外環境下，采用風光互補電源更安全，并可做到無人值守。

風光互補發電系統由太陽能光電板、小型風力發電機組、系統控制器、蓄電池組等幾部分組成，如圖9。

圖9 風光互補發電系統連接圖

6 現場驗證

自2010年9月陸續安裝4套自動觀測站。

圖10為北疆電廠觀測站2011年5月26日觀測數據，每分鐘一組數據，由上而下依次是電壓值、氣壓值、最大風向、最大風速、風向、風速、水位值。

圖10 2011年5月26日觀測數據

圖11為東突堤觀測站視頻監視效果圖，其中（b）為夜間觀測效果圖。

圖11 視頻監視效果圖

7 總結

通過近1 a的運行發現，系統運行良好，可靠實現各項功能，系統運行穩定，非常適合在架設電纜不方便的偏遠沿海使用，但風光互補發電系統使用過程中以下幾個問題需要注意：

（1）風光互補發電系統發電量過大。風光互補發電系統非常適合在沿海偏遠地區的使用，但在使用過程中需要注意發電量過大造成的問題。由于系統功耗較低，在海邊風力較大、天氣晴好的時候，系統發出的電剩余很多，需要控制器卸荷，這會造成風光互補發電系統的控制器過熱。

（2）風光互補發電系統發電量過小。在風光互補發電系統使用過程中同樣需要注意發電量過小的問題，在連續無風、陰天（無光）的天氣條件下，發電量極小，需要長時間使用電池供電，可能會影響系統正常使用。

通過對供電電源電壓的監控，可以知道發電量的大小。對于發電量過大問題采取打開路燈方式放電（放電電流3 A），有效地解決了這個問題。對于發電量過小問題采取改變系統工作方式的方法解決，使系統進入低功耗模式，降低采樣和通信頻率，電源采取分時工作方式，降低系統功耗，使問題得到解決。

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Design of Unattended Automatic Observation Station with Wind&Light Complementary Electricity-generating System

LIU Jie,LIANG Jie,YANG Xiao,LV Jiu-hong,ZHANG Xiao-juan,ZHAO Hong-bin
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Considering the current status of China adjacent seas observation,a kind of unattended automatic observation station that provides wireless video monitoring function and high reliability is developed,the installation is easy and with no power transmission line and communication line for the application of Wind&Light complementary electricity-generating system and wireless communication network.

automatic observation station;data collection;watchdog;GPRS;video monitoring;EVDO;Wind&Light complementary electricity-generating system

P715.4+3

B

1003-2029（2011）04-0023-06

2011-06-05

國家海洋局海洋公益性行業科研專項——天津濱海新區風暴潮監測預報預警技術與示范（200805018）