風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電無(wú)人值守自動(dòng)觀測(cè)站的設(shè)計(jì)

劉 頡，梁 捷，楊 逍，呂九紅，張曉娟，趙宏彬

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電無(wú)人值守自動(dòng)觀測(cè)站的設(shè)計(jì)

劉 頡，梁 捷，楊 逍，呂九紅，張曉娟，趙宏彬

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

針對(duì)我國(guó)近海海洋觀測(cè)的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，研制一種安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需架設(shè)電源線和通信線，供電采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，通信采用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，并具有視頻監(jiān)視功能的高可靠性、無(wú)人值守自動(dòng)觀測(cè)站。

自動(dòng)觀測(cè)站；數(shù)據(jù)采集；看門狗；GPRS；視頻監(jiān)控；EVDO；風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

自動(dòng)觀測(cè)站是公益性項(xiàng)目天津?yàn)I海新區(qū)風(fēng)暴潮監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)與示范的重要組成部分。項(xiàng)目的目標(biāo)是完善風(fēng)暴潮實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，改進(jìn)監(jiān)測(cè)監(jiān)視的手段，整合優(yōu)化觀測(cè)站點(diǎn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)視，建立濱海新區(qū)小區(qū)域、精細(xì)化溫帶風(fēng)暴潮增減水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)模式，利用高精度風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模式實(shí)現(xiàn)風(fēng)暴潮災(zāi)害淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

現(xiàn)有的海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)，在防災(zāi)減災(zāi)方面發(fā)揮了很大的作用，但仍然存在如下的不足：目前的站點(diǎn)分布不足，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少；目前的觀測(cè)站點(diǎn)缺乏監(jiān)測(cè)監(jiān)視的可視內(nèi)容，不能為決策提供現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)浪、增水情況等直觀信息，手段急需更新提高；觀測(cè)站點(diǎn)多面廣，比較分散，遠(yuǎn)離電網(wǎng)，若通過(guò)電網(wǎng)向觀測(cè)站供電，架設(shè)線路長(zhǎng)，投資較大，效益差。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)設(shè)在近海海域用于海洋觀測(cè)的臺(tái)站數(shù)量明顯偏少,觀測(cè)站點(diǎn)密度極低,急需大量增設(shè)岸基海洋觀測(cè)站點(diǎn)，尤其是安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的無(wú)人值守自動(dòng)觀測(cè)站點(diǎn)。

針對(duì)以上問(wèn)題研制了無(wú)人值守的基于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可視化實(shí)時(shí)觀測(cè)自動(dòng)觀測(cè)站，本文主要介紹了基于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可視化實(shí)時(shí)觀測(cè)自動(dòng)觀測(cè)站的設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)觀測(cè)站的設(shè)計(jì)

自動(dòng)觀測(cè)站是系統(tǒng)的重要組成部分，圖1為自動(dòng)觀測(cè)站整體效果圖；自動(dòng)觀測(cè)站功能框圖如圖2，由采集控制系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)傳感器、氣壓傳感器、水位傳感器、視頻傳感器、視頻控制器、無(wú)線路由器、無(wú)線DDN數(shù)據(jù)終端（DTU）、GPS、LED路燈、備份網(wǎng)絡(luò)等組成。

自動(dòng)觀測(cè)站主要功能是采集存儲(chǔ)觀測(cè)站潮位、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)圖像信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)浪、增水情況的實(shí)況可視化監(jiān)視。潮汐、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等水文氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測(cè)，每1 min數(shù)據(jù)中心通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向觀測(cè)站要一次數(shù)據(jù)；視頻監(jiān)視由用戶遠(yuǎn)程無(wú)線控制，按需開(kāi)啟，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮編碼后實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)中心，用戶通過(guò)數(shù)據(jù)中心間接訪問(wèn)測(cè)站視頻；用戶可遠(yuǎn)程控制路燈打開(kāi)、關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè)；觀測(cè)站由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電，無(wú)需外接市電。

圖1 自動(dòng)觀測(cè)站整體效果圖

2 采集控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)觀測(cè)站采集控制系統(tǒng)框圖如圖3。由于觀測(cè)站都是位于海邊且無(wú)人值守的，所以器件均需選擇低功耗、高可靠性的工業(yè)級(jí)芯片。

圖2 自動(dòng)觀測(cè)站功能框圖

圖3 自動(dòng)觀測(cè)站采集控制系統(tǒng)框圖

2.1 控制處理器PhyCORE-591

單板機(jī)PhyCORE-591板上的標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)配置為128 kB外部SRAM和128 kBFlash，用于儲(chǔ)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(gè)“大芯片”那樣插入目標(biāo)應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)、開(kāi)發(fā)板。自由的芯片選擇信號(hào)使它能方便地接入外部設(shè)備。

2.2 雙路數(shù)據(jù)采集板

采集控制系統(tǒng)通過(guò)基于I2C總線的智能傳感器轉(zhuǎn)換器完成對(duì)風(fēng)傳感器、氣壓傳感器、水位傳感器的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)（存儲(chǔ)1 a觀測(cè)數(shù)據(jù)）。為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的同時(shí)采集,采用模塊化,開(kāi)放式設(shè)計(jì)思想,在測(cè)量單元主控制器外擴(kuò)展了多個(gè)采集模塊.設(shè)計(jì)了基于I2C總線的多路RS232/485智能傳感器轉(zhuǎn)接口。這樣不同的傳感器可以同時(shí)工作,在傳感器工作的同時(shí),主控制器可以進(jìn)行其它的工作,不必一直等待，轉(zhuǎn)換模塊可以增加采樣頻率，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

對(duì)于觀測(cè)系統(tǒng)，多傳感器數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理歷來(lái)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的多傳感器測(cè)量通常采用集中測(cè)量方式，即一個(gè)控制器通過(guò)多個(gè)I/O口直接連接多個(gè)傳感器，所有傳感器的采集、必要的處理和存儲(chǔ)操作由一個(gè)控制器完成。這使得測(cè)量系統(tǒng)的通用性不強(qiáng)，當(dāng)增加或更換不同的傳感器時(shí)，系統(tǒng)不易更改，而且會(huì)使得系統(tǒng)控制復(fù)雜度越來(lái)越高，這種控制方式對(duì)處理器的性能要求較高，可靠性降低。另外，由于各個(gè)傳感器接口方式和協(xié)議不同，使得多個(gè)傳感器的控制方式很難統(tǒng)一，造成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和維護(hù)難度增加，不利于今后的使用。另外，隨著傳感器技術(shù)向智能化和數(shù)字化發(fā)展，傳感器接口趨于智能化和數(shù)字化，對(duì)于這種接口方式，集中方式一般采用設(shè)備數(shù)據(jù)通道分時(shí)復(fù)用的方法，也就是主控制器的一個(gè)串行接口直接與多個(gè)傳感器和設(shè)備通信，某一時(shí)刻只能有一臺(tái)設(shè)備接收控制器的命令、采樣并發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，其他設(shè)備處于空閑等待狀態(tài)。通過(guò)控制器不斷的切換通道完成多傳感器的測(cè)量。這種測(cè)量方式在實(shí)時(shí)性要求不高、測(cè)量設(shè)備較少或數(shù)據(jù)密度要求不高的情況下可以使用。由此可以看出，傳統(tǒng)的集中測(cè)量方式很難適應(yīng)這些變化。我們采取了一種分布式測(cè)量方式，能夠克服上述弊端，適應(yīng)傳感器智能化的發(fā)展，適應(yīng)觀測(cè)不同目的需求的多種要素測(cè)量配置，并且在時(shí)間和空間上滿足同步、實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。

雙路數(shù)據(jù)采集板采用總線式棧接結(jié)構(gòu)，可方便擴(kuò)展，使用兩塊采集板，如系統(tǒng)需要增加傳感器，可方便擴(kuò)展，無(wú)需更改硬件電路。通過(guò)實(shí)際測(cè)試證明，基于I2C總線的多傳感器同步測(cè)量系統(tǒng)可以滿足應(yīng)用需求，穩(wěn)定地獲取多個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)傳感器的同步、實(shí)時(shí)測(cè)量，為集成測(cè)量系統(tǒng)多傳感器的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸提供了很好的解決方案。本系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)都使用了開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)，添加設(shè)備相對(duì)容易，可以滿足不同系統(tǒng)的測(cè)量需求，具有很好的可擴(kuò)展性和通用性。在相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域具有重要實(shí)用意義。

圖4為基于I2C總線的智能傳感器轉(zhuǎn)換器圖。

圖4 基于I2C總線的智能傳感器轉(zhuǎn)換器圖

2.3 看門狗

由于自動(dòng)觀測(cè)站是無(wú)人值守的，對(duì)可靠性要求很高，系統(tǒng)采用Microchip公司單片機(jī)PIC12F509作為看門狗電路，提高系統(tǒng)的可靠性。電路如圖5。

圖5 看門狗電路

看門狗是一個(gè)定時(shí)電路。這個(gè)電路平時(shí)只要一通電，就會(huì)不斷計(jì)數(shù)；計(jì)滿一定的時(shí)間后，產(chǎn)生一個(gè)溢出信號(hào)，該信號(hào)被接到單片機(jī)的RST端，引發(fā)系統(tǒng)復(fù)位。主CPU正常工作時(shí)，每隔一段時(shí)間（60 s）就輸出一個(gè)信號(hào)到喂狗端，用來(lái)讓定時(shí)器清零（俗稱喂狗），從而避免了在正常工作狀態(tài)下被復(fù)位。當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時(shí)，超過(guò)規(guī)定的時(shí)間不喂狗，就會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位?？撮T狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)。本電路在完成以上功能的基礎(chǔ)上，還可對(duì)串口、I2C總線實(shí)施監(jiān)控，當(dāng)其出現(xiàn)異常時(shí)，也對(duì)系統(tǒng)復(fù)位。

本看門狗的電路特點(diǎn)：

（1）外圍電路簡(jiǎn)單，只要一個(gè)芯片沒(méi)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(jiān)測(cè)靈活，可同時(shí)監(jiān)測(cè)多組信號(hào)；

（4）功耗較低；

（5）芯片內(nèi)嵌入時(shí)鐘程序或外接時(shí)鐘芯片可作為值班電路，控制系統(tǒng)上電、掉電。

2.4 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)

在自動(dòng)觀測(cè)站采集控制系統(tǒng)中，為防止風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)測(cè)量傳感器的干擾，必須將測(cè)量系統(tǒng)和風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離,所以電壓監(jiān)測(cè)信號(hào)也要隔離。本系統(tǒng)選用線性光耦HCNR201是美國(guó)HP公司推出的高精度線性光耦，具有低成本、高線性度、高穩(wěn)定度、頻帶寬、設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)。

圖6為風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)電路，系統(tǒng)每分鐘采集一次供電電壓并傳送到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)了解供電情況；如果供電電壓較低，系統(tǒng)進(jìn)入省電模式，只完成傳感器數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸工作，待電壓正常后回復(fù)正常的工作模式。

圖6 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)電路

2.5 K9K8G08UOM存儲(chǔ)器與PhyCORE-591的接口設(shè)計(jì)及應(yīng)用

系統(tǒng)選用K9K8G08U0M作為大容量存儲(chǔ)器，它是大容量、高可靠性的NAND存儲(chǔ)器。其存儲(chǔ)容量為1G字節(jié)(1 G*8 bit)，可存儲(chǔ)20 a的觀測(cè)數(shù)據(jù)，即使數(shù)據(jù)需要容錯(cuò)備份，也可存儲(chǔ)10 a數(shù)據(jù)；可將數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用為8條I／O線，并分別提供命令控制信號(hào)線；命令、地址和數(shù)據(jù)信息均通過(guò)8條I／O線傳輸.不會(huì)因存儲(chǔ)容量的增加而增加引腳數(shù)，從而極大方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品升級(jí)，而無(wú)需更改外部硬件連接可方便地升級(jí)為2 G字節(jié)或更高。因此成為嵌入式系統(tǒng)中實(shí)時(shí)存儲(chǔ)大容量數(shù)據(jù)的最佳選擇，非常適合大容量、小體積、低功耗系統(tǒng)的使用。

3 采集控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

觀測(cè)站主控制程序主要功能是定時(shí)采集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)上層數(shù)據(jù)中心和底層傳感器的軟件控制與連接。向上通過(guò)無(wú)線DTU接收來(lái)自數(shù)據(jù)中心的控制命令，處理命令后通過(guò)DTU向數(shù)據(jù)中心發(fā)送回復(fù)命令。向下通過(guò)I2C總線訪問(wèn)多個(gè)傳感器控制器，傳感器控制器與傳感器之間是一對(duì)一連接。

觀測(cè)站主控制程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)采集三個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將采集到的數(shù)據(jù)按照約定的命令格式通過(guò)無(wú)線DTU發(fā)送給上層數(shù)據(jù)中心。之后將此數(shù)據(jù)按照一定的格式存儲(chǔ)在Flash中。

觀測(cè)站主程序要隨時(shí)可以接受來(lái)自上層數(shù)據(jù)中心的命令，做出正確的處理并給與回復(fù)。需要處理的命令主要有：

（1）每分鐘獲取準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)命令；

（2）開(kāi)關(guān)路燈電源命令；

（3）開(kāi)關(guān)視頻電源命令；

（4）開(kāi)關(guān)備用網(wǎng)絡(luò)電源命令

（5）獲取此前特定時(shí)刻（1 a內(nèi)）的數(shù)據(jù)命令；

（6）復(fù)位采集控制系統(tǒng)命令；

命令的接收與處理方式是開(kāi)放式的，可供以后添加命令。

為了使每次采集到的數(shù)據(jù)有準(zhǔn)確的時(shí)間標(biāo)簽，觀測(cè)站主控制程序有校時(shí)功能。每次程序啟動(dòng)時(shí)，都要通過(guò)串口訪問(wèn)GPS模塊，在獲取了準(zhǔn)確的時(shí)間信息之后，對(duì)系統(tǒng)RTC中的時(shí)間進(jìn)行更新。

4 自動(dòng)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)傳輸

4.1 概述

測(cè)站分布在沿海地區(qū)，彼此距離較遠(yuǎn)，專線的架設(shè)和使用費(fèi)用較高，不適宜。所以考慮用無(wú)線傳輸方式。

需要傳輸?shù)闹饕毕?、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓觀測(cè)數(shù)據(jù)和視頻圖像。潮汐、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等水文氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測(cè)，根據(jù)《海濱觀測(cè)規(guī)范》的要求，數(shù)據(jù)中心每1 min要一組觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)用戶通過(guò)數(shù)據(jù)中心訪問(wèn)水文氣象數(shù)據(jù)；視頻監(jiān)視由用戶控制，按需開(kāi)啟，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮編碼后實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)中心，用戶通過(guò)數(shù)據(jù)中心間接訪問(wèn)測(cè)站視頻。

4.2 組網(wǎng)形式

由于水文氣象數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求不同，水文氣象數(shù)據(jù)特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量小、實(shí)時(shí)連續(xù)傳輸，而且對(duì)保密性和可靠性有要求，因此還要考慮網(wǎng)絡(luò)私密性；視頻數(shù)據(jù)特點(diǎn)是雖然數(shù)據(jù)量大，但不需要24 h連續(xù)傳輸，而且無(wú)保密要求，因此網(wǎng)絡(luò)傳輸只需要保證高速率?；谝陨显?，考慮視頻數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與水文氣象數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)分開(kāi)。

4.2.1 水文氣象數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

水文氣象數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)如下：水文氣象數(shù)據(jù)中心通過(guò)基于GPRS或者EDGE的無(wú)線路由器接入；各個(gè)測(cè)站采用DTU方式接入；中國(guó)移動(dòng)對(duì)所有接入通過(guò)APN方式組成局域網(wǎng)。圖7為水文氣象數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖7 水文氣象數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖

水文氣象數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，以中國(guó)移動(dòng)的GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)為通信平臺(tái)，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)備(GPRS DTU)，在用戶設(shè)備與數(shù)據(jù)中心之間建立完全透明、可靠的串行數(shù)據(jù)傳輸通道。采用GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，不必關(guān)心GPRS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、TCP/IP協(xié)議等。

GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(General Packet RadioService)的英文簡(jiǎn)稱，是在原有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用與GSM同樣的無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的調(diào)頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結(jié)構(gòu)，這種分組數(shù)據(jù)信道結(jié)構(gòu)與電路交換的話音業(yè)務(wù)信道極其相似。因此現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)(BBS)從一開(kāi)始就可以提供全面的GPRS覆蓋。

GPRS是一種覆蓋面廣、組網(wǎng)靈活、安全可靠、接口簡(jiǎn)單、透明傳輸?shù)闹行?shù)據(jù)量專用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。GPRS通信模式特點(diǎn)突出：

（1）永遠(yuǎn)在線：GPRS DTU一開(kāi)機(jī)就能自動(dòng)連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并與用戶數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時(shí)收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)，具有很高的實(shí)時(shí)性；

（2）按量計(jì)費(fèi)：GPRS DTU一直在線，按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來(lái)收取費(fèi)用，沒(méi)有數(shù)據(jù)流量的傳遞時(shí)不收費(fèi)用；

（3）組網(wǎng)簡(jiǎn)單安全：GPRS系統(tǒng)可以通過(guò)中國(guó)移動(dòng)的APN模式構(gòu)建與Internet隔離的專屬的局域網(wǎng)，既為用戶提供私密的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，又同時(shí)保持接入便利、擴(kuò)容簡(jiǎn)單、節(jié)省接入投資等優(yōu)點(diǎn)；

（4）維護(hù)費(fèi)用低廉：由于采用中國(guó)移動(dòng)的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此鏈路維護(hù)也由中國(guó)移動(dòng)負(fù)責(zé)，免除通信鏈路維護(hù)的后顧之憂；

（5）安全可靠：由于采用中國(guó)移動(dòng)的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，所以在不影響上網(wǎng)的前提下，GPRSDTU的發(fā)射功率非常小，天線非常短，而且無(wú)需高架，克服了有線傳輸和無(wú)線電臺(tái)傳輸容易引雷擊壞設(shè)備的缺點(diǎn)。

4.2.2 視頻數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

視頻監(jiān)視采用EVDO移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通訊。它的具體內(nèi)容包括：視頻監(jiān)控的視頻主機(jī)將視頻數(shù)據(jù)壓縮、打包，然后通過(guò)EVDO無(wú)線路由器接入網(wǎng)絡(luò)，視頻數(shù)據(jù)中心接收端軟件接收數(shù)據(jù)并分發(fā)給監(jiān)控終端軟件，通過(guò)監(jiān)控軟件，實(shí)時(shí)掌握各個(gè)被監(jiān)控點(diǎn)的情況，并對(duì)發(fā)生的情況做出反應(yīng)和處理，如圖8。

EVDO無(wú)線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是基于電信的EVDO 3G網(wǎng)絡(luò)，主要由以下三部分組成：視頻的采集壓縮模塊、3G無(wú)線路由器、中心的監(jiān)控管理平臺(tái)和客戶端監(jiān)控軟件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了，擴(kuò)展性好，能適應(yīng)多變的監(jiān)控要求。

圖8 無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

5 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

觀測(cè)站點(diǎn)多面廣，比較分散，遠(yuǎn)離電網(wǎng)，若通過(guò)電網(wǎng)向觀測(cè)站供電，架設(shè)線路長(zhǎng)，投資較大，效益差。根據(jù)觀測(cè)站用電負(fù)荷小、可靠性要求高、遠(yuǎn)離電網(wǎng)的特點(diǎn)，結(jié)合濱海新區(qū)的氣象條件，海邊有著豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，全年都有很充足的風(fēng)能和太陽(yáng)能，特別是夏季的光照時(shí)間長(zhǎng)強(qiáng)度高而冬季的風(fēng)很大，風(fēng)能和太陽(yáng)能的時(shí)間互補(bǔ)性很強(qiáng)；并且周邊比較開(kāi)闊，障礙物少，為推廣風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)提供了極好的自然條件。采用風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電互補(bǔ)供電的技術(shù)向觀測(cè)站提供電源，可確保觀測(cè)站正常運(yùn)行。

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）無(wú)需架設(shè)電纜、一次性投資低，建設(shè)工期短；

（2）資源可再生、沒(méi)有后續(xù)能源費(fèi)用，符合國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略；

（3）彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電獨(dú)立系統(tǒng)在資源上的缺陷；

（4）清潔、不造成環(huán)境污染；

（5）使用壽命較長(zhǎng)，維護(hù)、管理方便；

（6）在野外環(huán)境下，采用風(fēng)光互補(bǔ)電源更安全，并可做到無(wú)人值守。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能光電板、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、系統(tǒng)控制器、蓄電池組等幾部分組成，如圖9。

圖9 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)連接圖

6 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

自2010年9月陸續(xù)安裝4套自動(dòng)觀測(cè)站。

圖10為北疆電廠觀測(cè)站2011年5月26日觀測(cè)數(shù)據(jù)，每分鐘一組數(shù)據(jù)，由上而下依次是電壓值、氣壓值、最大風(fēng)向、最大風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)速、水位值。

圖10 2011年5月26日觀測(cè)數(shù)據(jù)

圖11為東突堤觀測(cè)站視頻監(jiān)視效果圖，其中（b）為夜間觀測(cè)效果圖。

圖11 視頻監(jiān)視效果圖

7 總結(jié)

通過(guò)近1 a的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，可靠實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，非常適合在架設(shè)電纜不方便的偏遠(yuǎn)沿海使用，但風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)使用過(guò)程中以下幾個(gè)問(wèn)題需要注意：

（1）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量過(guò)大。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)非常適合在沿海偏遠(yuǎn)地區(qū)的使用，但在使用過(guò)程中需要注意發(fā)電量過(guò)大造成的問(wèn)題。由于系統(tǒng)功耗較低，在海邊風(fēng)力較大、天氣晴好的時(shí)候，系統(tǒng)發(fā)出的電剩余很多，需要控制器卸荷，這會(huì)造成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的控制器過(guò)熱。

（2）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量過(guò)小。在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)使用過(guò)程中同樣需要注意發(fā)電量過(guò)小的問(wèn)題，在連續(xù)無(wú)風(fēng)、陰天（無(wú)光）的天氣條件下，發(fā)電量極小，需要長(zhǎng)時(shí)間使用電池供電，可能會(huì)影響系統(tǒng)正常使用。

通過(guò)對(duì)供電電源電壓的監(jiān)控，可以知道發(fā)電量的大小。對(duì)于發(fā)電量過(guò)大問(wèn)題采取打開(kāi)路燈方式放電（放電電流3 A），有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于發(fā)電量過(guò)小問(wèn)題采取改變系統(tǒng)工作方式的方法解決，使系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，降低采樣和通信頻率，電源采取分時(shí)工作方式，降低系統(tǒng)功耗，使問(wèn)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(guó)家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)——天津?yàn)I海新區(qū)風(fēng)暴潮監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)與示范（200805018）