基于光伏風力的海上救援系統(tǒng)

熊豐 張里 張兆麒 馬勤波 郭瑤

（重慶理工大學應(yīng)用技術(shù)學院，重慶 400054）

風能、太陽能都是清潔、綠色的能源。當前全球可利用的風能比地球上可利用的水能總量還要大10倍。每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當于130萬億噸煤，其總量屬于世界上可以開發(fā)的最大能源。而煤炭、石油、天然氣都是消耗性的能源，逐年開采，剩余的越來越少，甚至完全枯竭。在環(huán)境污染越來越嚴重，資源匱乏的今天，這一點極其寶貴。

而隨著世界航運業(yè)的飛速發(fā)展，船舶成倍增長，航速不斷提高，由原來幾節(jié)到十幾節(jié)，現(xiàn)在可達三四十節(jié)以上，載重量由萬噸、幾萬噸到幾十萬噸，航線遍及世界大洋。與此同時，海難事故也明顯增多，所以迫切需要一種有效的海上救援系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)組成及功能說明

1.1 整體介紹

本設(shè)計以STM32F407ZGT6為主控，采用模塊化設(shè)計，該系統(tǒng)主要由風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、電能轉(zhuǎn)換、儲能、GPS定位、數(shù)據(jù)采集處理和無線通訊等模塊組成（如圖1）。在海上船只發(fā)生意外時，遇事船只可以向此系統(tǒng)發(fā)送求救信號，此系統(tǒng)可以實時采集遇險船只信息，在屏幕上實時顯示遇事船只的位置、舵角及航速等各項信息，并計算出遇事船只的實時位置，將求援信號發(fā)送給附近收到求救信號的船只，讓他們前來救援，并且此系統(tǒng)還可以為一些小型設(shè)備供電，保證生命所需應(yīng)急設(shè)備能夠照常工作。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.2 各模塊介紹

本系統(tǒng)的主機架設(shè)在固定的海岸的應(yīng)急搜救點或漂浮在海平面上，從機安置在船只上，當船只進入到本系統(tǒng)覆蓋的海域時，從機請求連接網(wǎng)絡(luò)，連接網(wǎng)絡(luò)成功后，主機即可實時通過無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到從機的數(shù)據(jù)反饋來監(jiān)視船只異常情況，如果發(fā)生異常情況，主機會利用位置推算系統(tǒng)預(yù)測船只遇險的大概位置，并通過無線通信系統(tǒng)告知鄰近船只展開救援[1]。

1.2.1 主機端

主機架設(shè)在海岸上的固定點或漂浮在海平面上，主機主要包括無線通信系統(tǒng)、位置推算系統(tǒng)、電能補給系統(tǒng)3大部分組成。海上救援系統(tǒng)主機端模型如圖2所示。

圖2 主機端模型

（1）無線通信系統(tǒng)。主機的無線通信系統(tǒng)會建立一個通信網(wǎng)絡(luò)，它是基于esp8266WiFi模塊以TCP協(xié)議為核心搭建的局域網(wǎng)絡(luò)，當船只進入了覆蓋海域之后會請求連接網(wǎng)絡(luò)，當網(wǎng)絡(luò)連接完成以后主從機可通過此網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交互。

（2）位置推算系統(tǒng)。主機通過無線通信網(wǎng)絡(luò)從從機返回的數(shù)據(jù)判斷是否處于異常狀態(tài)，如果船只出現(xiàn)異常，則會執(zhí)行位置推算系統(tǒng)推算船只可能出事的位置，并通過無線通信系統(tǒng)通知最近的船只進行救援。

（3）電能補給系統(tǒng)。如圖2所示，電能補給系統(tǒng)利用了海上豐富的風能與太陽能等清潔能源進行發(fā)電，采用一個50W的風力發(fā)電機和2個50W的太陽能板進行發(fā)電，將上述發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能經(jīng)由電能轉(zhuǎn)換裝置進行變換后輸出有效的固定電壓，實現(xiàn)儲能與向外界負載供電的功能，通過MCU的ADC端口可以檢測出儲能電池現(xiàn)有的電量[2]。此補給系統(tǒng)不僅可以為系統(tǒng)本身提供能量，還使用無線與有線充電兩種方式為遇險人員提供應(yīng)急的電力支持。

1.2.2 從機端

從機主要是安裝在船只上，也就是用戶端，主要由位置獲取系統(tǒng)，無線通信系統(tǒng)兩大部分組成。針對用戶端還設(shè)計了一款A(yù)pp，如圖3所示。在App上，用戶可以看到自己的船只狀態(tài)、經(jīng)度及緯度信息，在船只遇事時，可以通過此App看到附近救援船只的位置信息，并與救援船只進行有效的溝通。

圖3 用戶端App

（1）位置獲取系統(tǒng)。主要是由GPS模塊組成，用于定位船只的位置信息，將數(shù)據(jù)保存在MCU板載FLASH上，當船只出現(xiàn)異常情況的時候，可以將位置實時發(fā)送至主機，由主機調(diào)配臨近船只進行救援。當GPS模塊不幸因為各種原因損壞的時候，我們的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會采集舵角與航速信息，主機會推測出大致的位置，其流程圖如圖4所示[3]。

圖4 位置獲取流程圖

（2）無線通信系統(tǒng)。主機的無線通信系統(tǒng)會建立一個通信網(wǎng)絡(luò)，當船只進入了覆蓋海之后會請求連接網(wǎng)絡(luò)，當網(wǎng)絡(luò)連接完成以后從機可通過此系統(tǒng)向主機傳輸GPS位置信息以及舵角航速等重要信息，主機也可以通過此網(wǎng)絡(luò)告知船只哪里出現(xiàn)了遇事船只需要救援。

2.結(jié)語

本文介紹的海上救援系統(tǒng)模型相比于傳統(tǒng)的專門救援船，海上航行的船只接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后，一旦有船只遇事，按下求救按鈕，將求救信息發(fā)送給救援系統(tǒng)，在遇事船只的GPS壞了的情況下，系統(tǒng)根據(jù)當前航向、航速、風速、水速等信息推算其當前位置，救援系統(tǒng)將搜索離遇事船只最近的船只，并向其發(fā)送救援信息，請求救援，這種鄰船快速救援模式極大地提升了救援效率，保障了人民群眾的生命財產(chǎn)安全。