基于北斗定位的波浪能發電裝置通訊系統設計與實現

楊倩雯,王世明

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

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基于北斗定位的波浪能發電裝置通訊系統設計與實現

楊倩雯,王世明

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

除石油、天然氣等資源外,波浪能作為海洋能中能量密度最高的能源,近年來成為技術攻克的熱門課題。作為波浪能發電裝置的另一核心技術,本文針對波浪能本身特點設計獨特的通訊方案,通過北斗定位實現對設備的實時監控,能夠有效降低設備損耗,精確獲得設備數據,為提高清潔能源的利用率作出貢獻。

波浪能;定位;通訊系統

0 引 言

海洋占據地球表面積70%,集中了全球97%的水量,蘊藏著豐富的能源,包括波浪能、海流能、溫差能、鹽差能等。其中,波浪能以其開發過程中對環境影響小且以機械能形式存在,是品位最高的海洋能[1]。

大部分波浪能發電裝置主要分為三個階段,第一級為波浪能捕獲系統,主要通過機械裝置對波浪進行收集；第二級為中間轉換系統,對裝置收集到的波浪進行穩向,穩速,增速；第三級即發電系統,將波浪能動能轉換為電能并進行處理與儲存[2]。波浪能本身是一種無規律的能源,所有發電設備均需置于海上,氣候與環境的復雜性導致其高損耗率,也就更需要較為完善的監控手段與定位系統來服務發電系統,以達到最大化利用波浪能的目的。

1 北斗定位方案的選取

2016年2月,國家科技部發布“十三五”重點專項“深海關鍵技術與裝備”,力求為我國走進和認識深海提供裝備。可見用于探查深海資源、開展深海科學研究、進行深海工程作業的全海深潛水器技術和裝備備受國家關注。作為全海深裝備的關鍵技術之一的衛星定位與通信系統,就是保證及時獲取海上作業裝備的各項信息,以便工作人員及時完成對全海深海洋裝備信息的收集、裝備的回收與檢修。雖然基于北斗導航定位系統的研發與應用已有很多,但是針對價格昂貴、作業時間長、海況復雜的全海深海洋裝備作業需求的定位與通信系統的研制尚未成熟。

實際上,北斗定位系統具有兩種工作模式,其中RDSS模式既可以進行定位又可以實現模塊之間的短報文通信,但在RDSS模式下,定位或短報文通信需每隔1 min進行一次,無法滿足實時監控設備狀態的需求[3]。而RNSS模式可實現每秒定位一次,定位速度快、效率高,但其無法實現通過短報文通信的功能。本文采用兩種方式相結合的方案,即使用RNSS模式進行定位,再將位置信息(以及待傳輸的信息)通過RDSS模式的短報文通信功能將定位信息傳送給接收終端。

本文采用的定位方案,結合實際需要,集定位和短報文通信為一體,能夠對放置于深海中的波浪能發電裝置進行快速、及時的精準定位,并將位置及其相關測量信息發送至控制中心,有效的保證工作人員及時完成對波浪能發電設備的實況檢測與數據接收。

2 基于北斗的方案實現硬件設計

系統硬件總體設計如圖1所示,其中單片機選用C8051F023芯片,滿足多串口、內帶大容量FLASH且調試簡便的指標。C8051F023器件使用Cygnal的專利CIP-51微控制器內核。CIP-51與CS-51TM指令集完全兼容,可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發。

C8051F023單片機采用流水線結構,機器周期由標準的12個系統時鐘周期降為1個系統時鐘周期,處理能力大大提高,峰值性能可達25 MIPS.

可通過單片機讀取RNSS的定位信息,再通過串口通過RDSS將位置信息發送至控制中心的接收模塊,獲取對應信息[4]。若判斷出設備潛入水下,則斷開北斗模塊電源,使單片機處于低功耗狀態,防止過度消耗電池電量[5]。

本系統電平轉換結構與調試控制電路結構圖如圖2,圖3所示。由MAX3232組成的電平轉換電路主要完成對WAVECOM串口和單片機串口2的RS232電平轉換。電平轉換部分的作用有兩個。一是將單片機的串口2經RS232電平轉換與計算機的串口相連,用于實現對單片機軟件內系統參數修改功能及其它復用數據傳輸功能;二是將單片機的串口0經RS232電平轉換與SIMCOM 900S串口相連,用于實現對單片機程序運行進行監視。調試功能JTAG部分完成主機與單片機程序的調試、下載燒寫等,復位電路完成系統上電復位,以及按鈕復位功能。

3 設備通訊方案

由于波浪能設備大多用于遠海作業,故數據傳輸與通訊即成為波浪能發電中極為重要的一環。通過無線通訊方式將測得的參數傳輸到測控中心,后臺分析現場發電機的運行狀態,獲得參數指標(包括電流,電壓,海洋能輪機轉動速率,發電功率等)。直流負載的控制同樣采用遠程無線方式完成,采用這種無線傳輸控制方案可以遠程完成負載的投切、調整功能[6]。充分考慮到海洋現場環境的惡劣性對數據傳輸造成的強干擾,在信號傳輸方面考慮雙通道方式,兩者互為備份。當其中一個通道出現異常時,另外一個通道自動完成信號的上行、及下行功能。設備實際通訊方案如圖4所示。將設備置于波浪條件相對優越的廈門進行海上試驗,利用移動基站與現場電柜的交互,通過SGSN-GPRS網關,由路由器實現數據傳輸,通過建立數據服務平臺,即可分別從廈門與上海對用戶進行訪問,實現設備監控。

無線終端完成與直流電表的485通訊,可以將現場的海洋能變換成的直流電電壓、電流、功率等信號實時發送到海洋大學服務器,可以在廈門遠程VPN方式訪問上海海洋大學數據服務中心,遠程數據發送到項目組自主開發的后臺軟件并進行顯示,如圖5所示。

4 結束語

經過反復修改程序和多次軟、硬件調試可以實現電子負載和單片機系統之間的正常通訊,系統所采用的RNSS與RDSS相結合獲取定位信息的方式也得到驗證,有效實現了對波浪能發電裝備的遠程信息采集與控制,為波浪能的更加高效的開發與利用作出貢獻。

[1] 張婷婷.海洋集成供電系統儲能技術的研究[D].華北電力大學,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] 吳甜甜,張云,劉永明,等.北斗/GPS組合定位方法[J]. 遙感學報，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] 萬常凡.北斗短報文通信及北斗/GPS定位終端：中國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

楊倩雯 (1992-),女,碩士生,主要從事波浪能發電裝備系統研究。

王世明 (1964-),男,博士,教授,主要從事海洋工程先進制造及智能控制研究。

聯系人:楊倩雯E-mail: 18801771986@163.com