基于北斗定位的波浪能發(fā)電裝置通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊倩雯,王世明

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

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基于北斗定位的波浪能發(fā)電裝置通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊倩雯,王世明

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)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(lái)成為技術(shù)攻克的熱門課題。作為波浪能發(fā)電裝置的另一核心技術(shù),本文針對(duì)波浪能本身特點(diǎn)設(shè)計(jì)獨(dú)特的通訊方案,通過(guò)北斗定位實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控,能夠有效降低設(shè)備損耗,精確獲得設(shè)備數(shù)據(jù),為提高清潔能源的利用率作出貢獻(xiàn)。

波浪能;定位;通訊系統(tǒng)

0 引 言

海洋占據(jù)地球表面積70%,集中了全球97%的水量,蘊(yùn)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(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)環(huán)境影響小且以機(jī)械能形式存在,是品位最高的海洋能[1]。

大部分波浪能發(fā)電裝置主要分為三個(gè)階段,第一級(jí)為波浪能捕獲系統(tǒng),主要通過(guò)機(jī)械裝置對(duì)波浪進(jìn)行收集；第二級(jí)為中間轉(zhuǎn)換系統(tǒng),對(duì)裝置收集到的波浪進(jìn)行穩(wěn)向,穩(wěn)速,增速；第三級(jí)即發(fā)電系統(tǒng),將波浪能動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能并進(jìn)行處理與儲(chǔ)存[2]。波浪能本身是一種無(wú)規(guī)律的能源,所有發(fā)電設(shè)備均需置于海上,氣候與環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致其高損耗率,也就更需要較為完善的監(jiān)控手段與定位系統(tǒng)來(lái)服務(wù)發(fā)電系統(tǒng),以達(dá)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(guó)家科技部發(fā)布“十三五”重點(diǎn)專項(xiàng)“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”,力求為我國(guó)走進(jìn)和認(rèn)識(shí)深海提供裝備?？梢?jiàn)用于探查深海資源、開(kāi)展深?？茖W(xué)研究、進(jìn)行深海工程作業(yè)的全海深潛水器技術(shù)和裝備備受國(guó)家關(guān)注。作為全海深裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一的衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng),就是保證及時(shí)獲取海上作業(yè)裝備的各項(xiàng)信息,以便工作人員及時(shí)完成對(duì)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(dǎo)航定位系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用已有很多,但是針對(duì)價(jià)格昂貴、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、海況復(fù)雜的全海深海洋裝備作業(yè)需求的定位與通信系統(tǒng)的研制尚未成熟。

實(shí)際上,北斗定位系統(tǒng)具有兩種工作模式,其中RDSS模式既可以進(jìn)行定位又可以實(shí)現(xiàn)模塊之間的短報(bào)文通信,但在RDSS模式下,定位或短報(bào)文通信需每隔1 min進(jìn)行一次,無(wú)法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)的需求[3]。而RNSS模式可實(shí)現(xiàn)每秒定位一次,定位速度快、效率高,但其無(wú)法實(shí)現(xiàn)通過(guò)短報(bào)文通信的功能。本文采用兩種方式相結(jié)合的方案,即使用RNSS模式進(jìn)行定位,再將位置信息(以及待傳輸?shù)男畔?通過(guò)RDSS模式的短報(bào)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(jié)合實(shí)際需要,集定位和短報(bào)文通信為一體,能夠?qū)Ψ胖糜谏詈Ｖ械牟ɡ四馨l(fā)電裝置進(jìn)行快速、及時(shí)的精準(zhǔn)定位,并將位置及其相關(guān)測(cè)量信息發(fā)送至控制中心,有效的保證工作人員及時(shí)完成對(duì)波浪能發(fā)電設(shè)備的實(shí)況檢測(cè)與數(shù)據(jù)接收。

2 基于北斗的方案實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)如圖1所示,其中單片機(jī)選用C8051F023芯片,滿足多串口、內(nèi)帶大容量FLASH且調(diào)試簡(jiǎn)便的指標(biāo)。C8051F023器件使用Cygnal的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51與CS-51TM指令集完全兼容,可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。

C8051F023單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu),機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期,處理能力大大提高,峰值性能可達(dá)25 MIPS.

可通過(guò)單片機(jī)讀取RNSS的定位信息,再通過(guò)串口通過(guò)RDSS將位置信息發(fā)送至控制中心的接收模塊,獲取對(duì)應(yīng)信息[4]。若判斷出設(shè)備潛入水下,則斷開(kāi)北斗模塊電源,使單片機(jī)處于低功耗狀態(tài),防止過(guò)度消耗電池電量[5]。

本系統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與調(diào)試控制電路結(jié)構(gòu)圖如圖2,圖3所示。由MAX3232組成的電平轉(zhuǎn)換電路主要完成對(duì)WAVECOM串口和單片機(jī)串口2的RS232電平轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換部分的作用有兩個(gè)。一是將單片機(jī)的串口2經(jīng)RS232電平轉(zhuǎn)換與計(jì)算機(jī)的串口相連,用于實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)軟件內(nèi)系統(tǒng)參數(shù)修改功能及其它復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸功能;二是將單片機(jī)的串口0經(jīng)RS232電平轉(zhuǎn)換與SIMCOM 900S串口相連,用于實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)程序運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視。調(diào)試功能JTAG部分完成主機(jī)與單片機(jī)程序的調(diào)試、下載燒寫等,復(fù)位電路完成系統(tǒng)上電復(fù)位,以及按鈕復(fù)位功能。

3 設(shè)備通訊方案

由于波浪能設(shè)備大多用于遠(yuǎn)海作業(yè),故數(shù)據(jù)傳輸與通訊即成為波浪能發(fā)電中極為重要的一環(huán)。通過(guò)無(wú)線通訊方式將測(cè)得的參數(shù)傳輸?shù)綔y(cè)控中心,后臺(tái)分析現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),獲得參數(shù)指標(biāo)(包括電流,電壓,海洋能輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率,發(fā)電功率等)。直流負(fù)載的控制同樣采用遠(yuǎn)程無(wú)線方式完成,采用這種無(wú)線傳輸控制方案可以遠(yuǎn)程完成負(fù)載的投切、調(diào)整功能[6]。充分考慮到海洋現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的惡劣性對(duì)數(shù)據(jù)傳輸造成的強(qiáng)干擾,在信號(hào)傳輸方面考慮雙通道方式,兩者互為備份。當(dāng)其中一個(gè)通道出現(xiàn)異常時(shí),另外一個(gè)通道自動(dòng)完成信號(hào)的上行、及下行功能。設(shè)備實(shí)際通訊方案如圖4所示。將設(shè)備置于波浪條件相對(duì)優(yōu)越的廈門進(jìn)行海上試驗(yàn),利用移動(dòng)基站與現(xiàn)場(chǎng)電柜的交互,通過(guò)SGSN-GPRS網(wǎng)關(guān),由路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,通過(guò)建立數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái),即可分別從廈門與上海對(duì)用戶進(jìn)行訪問(wèn),實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控。

無(wú)線終端完成與直流電表的485通訊,可以將現(xiàn)場(chǎng)的海洋能變換成的直流電電壓、電流、功率等信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送到海洋大學(xué)服務(wù)器,可以在廈門遠(yuǎn)程VPN方式訪問(wèn)上海海洋大學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)中心,遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送到項(xiàng)目組自主開(kāi)發(fā)的后臺(tái)軟件并進(jìn)行顯示,如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)反復(fù)修改程序和多次軟、硬件調(diào)試可以實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載和單片機(jī)系統(tǒng)之間的正常通訊,系統(tǒng)所采用的RNSS與RDSS相結(jié)合獲取定位信息的方式也得到驗(yàn)證,有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)波浪能發(fā)電裝備的遠(yuǎn)程信息采集與控制,為波浪能的更加高效的開(kāi)發(fā)與利用作出貢獻(xiàn)。

[1] 張婷婷.海洋集成供電系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)的研究[D].華北電力大學(xué),2014.

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[6] 萬(wàn)常凡.北斗短報(bào)文通信及北斗/GPS定位終端：中國(guó)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(fā)電裝備系統(tǒng)研究。

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

聯(lián)系人:楊倩雯E-mail: 18801771986@163.com