仿海底洋流實(shí)驗(yàn)中水流動(dòng)狀況智能監(jiān)控系統(tǒng)

王金亮， 安然然， 路晨賀， 孫曉鑫， 張語仙

(沈陽化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

近年來，海洋資源的利用被廣泛關(guān)注，海底洋流流速較慢(0.5～1 m/s)且具有平穩(wěn)持續(xù)的特征.利用壓電材料做成壓電能量收集器收集海洋流動(dòng)的能量，并為海上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電成為一項(xiàng)尤為熱門的課題，國內(nèi)外涌現(xiàn)出許多利用海洋洋流渦致振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行發(fā)電的理論報(bào)告與成果，如密歇根大學(xué)海洋可再生能源實(shí)驗(yàn)室(marine renewable energy lab 簡稱 MRElab)的 Bernitsas 等[1-2]提出了一種渦致振動(dòng)清潔水能源收集系統(tǒng)(vortex induced vibration for aquatic clean energy)，重慶大學(xué)的王軍雷研究了VIVACE能量轉(zhuǎn)換機(jī)的理論模型和結(jié)構(gòu)[3]，然而其均未提及各種壓電能量收集器最佳放置區(qū)間以及放置該區(qū)間的實(shí)驗(yàn)依據(jù).在實(shí)驗(yàn)室對壓電能量收集器進(jìn)行模擬海底洋流系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于實(shí)驗(yàn)室中水循環(huán)設(shè)施受尺寸大小限制，在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)出現(xiàn)層流及紊流現(xiàn)象.本文通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M海底洋流運(yùn)動(dòng)，從而為進(jìn)一步研究利用海底洋流進(jìn)行壓電能量收集提供實(shí)驗(yàn)條件.實(shí)驗(yàn)室仿真海底環(huán)境時(shí)，一般采用兩種策略：一是采用大型水池，在水池上部懸掛步進(jìn)電機(jī)，通過步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)來帶動(dòng)傳感器移動(dòng)，間接實(shí)現(xiàn)洋流流動(dòng)策略，這種方式因?yàn)殡姍C(jī)在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，因此對壓電傳感器的分析會(huì)造成影響，使采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；二是采用明渠方式，讓水流從一個(gè)儲(chǔ)水器沿著開放廊道流入另一個(gè)儲(chǔ)水器，但這種方式更偏向于河流表層的流動(dòng).因此最好的策略是采用雙深水池，如圖1所示，水池側(cè)邊底部通過廊道聯(lián)通，使水在水壓力下完成一個(gè)水池向另一個(gè)水池的流動(dòng)，這種情況下玻璃廊道內(nèi)水的流動(dòng)方式更接近于洋流的流動(dòng)方式.

圖1 仿海底洋流實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

為了分析實(shí)驗(yàn)裝置中玻璃廊道內(nèi)水流的運(yùn)動(dòng)狀況，本文利用三軸加速度傳感器和無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了水流狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，通過對廊道內(nèi)水流狀態(tài)的分析確定壓電能量收集器最佳放置區(qū)間，從而進(jìn)一步為海底渦致振動(dòng)壓電能量收集實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ).

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要分成兩個(gè)組成部分：水流情況數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)匯總分析部分.水流情況數(shù)據(jù)采集部分主要通過傳感器采集水循環(huán)廊道內(nèi)流動(dòng)液體的平穩(wěn)度.當(dāng)水流在廊道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，如果沒有紊流情況，整個(gè)管道內(nèi)的水流方向是一致的；如果出現(xiàn)了紊流情況，水流會(huì)互相擾動(dòng)，通過三軸加速度傳感器可以感應(yīng)出水流在X、Y、Z軸3個(gè)方向的流向變化.如果水流在Y、Z軸上波動(dòng)明顯，則此區(qū)域不適合作為壓電能量收集器的放置區(qū)間.設(shè)計(jì)方案中的傳感器因需要埋入到水循環(huán)系統(tǒng)的玻璃廊道中，如果采用有線信號(hào)傳送，通訊的電纜會(huì)對水流產(chǎn)生影響，造成測試效果不準(zhǔn)確.因此系統(tǒng)采用將三軸加速度傳感器與無線通訊芯片相結(jié)合的方式，即直接將三軸加速度傳感器與無線通訊芯片集成到一個(gè)最小電路板，最小化測試面積.三軸加速度傳感器檢測到的信號(hào)直接通過無線模塊向外傳送，主控端通過無線模塊接收到水流數(shù)據(jù)后再傳送給高性能的PC機(jī)完成數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示.系統(tǒng)總體框圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分成兩部分：水流情況數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)匯總分析部分.水流情況數(shù)據(jù)采集部分主要包括采集電路、信號(hào)初級(jí)放大電路、低通濾波電路、后級(jí)放大電路、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和無線通信模塊.此部分主要用來采集各個(gè)測試段加速度傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)，并進(jìn)行放大、濾除采集過程中產(chǎn)生的干擾信號(hào)，最后將穩(wěn)定的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過無線芯片進(jìn)行傳送；數(shù)據(jù)匯總分析部分采用與無線發(fā)射端具備相同無線協(xié)議性質(zhì)的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并通過無線通信方式將接收到的數(shù)據(jù)傳遞給主控機(jī)，主控機(jī)對傳遞上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，并將處理結(jié)果動(dòng)態(tài)顯現(xiàn)出來.整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

2.2 水流情況數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)

水流情況數(shù)據(jù)采集部分主要實(shí)現(xiàn)的是對于廊道內(nèi)水流情況的采集，為此選用BMA250三軸加速度傳感器，從X、Y、Z三維空間上對洋流情況進(jìn)行采集.BMA250是德國 Bosch 公司設(shè)計(jì)的一款三軸、低加速度傳感器，支持三正交軸的加速度測試.其具有超小型封裝、多選擇數(shù)字接口、可編程、片上中斷控制、超低功率和綠色環(huán)保等特點(diǎn).BMA250體積小，規(guī)格大小為2 mm×2 mm×1 mm，提供了SPI和IIC總線接口，加速度范圍±2 g/±4 g/±8 g/±16 g，低通濾波器帶寬8～1 000 Hz，工作電壓范圍1.2～3.6 V[4].由于體積小，BMA250可以很好地采集廊道內(nèi)的水流情況，且對水流的影響作用小，幾乎使水流狀態(tài)不發(fā)生改變；提供SPI和IIC兩個(gè)總線接口，為數(shù)據(jù)通信提供了選擇；工作電壓在1.2～3.6 V之間，功耗低，使其可以在廊道內(nèi)持續(xù)3個(gè)月進(jìn)行監(jiān)測.BMA250原理框圖如圖4所示.

圖4 三軸加速度傳感器原理

從圖4可以看出：BMA250具有10個(gè)引腳，VDD是電源線連接引腳；GND是地線連接引腳；VDDIO是I/O引腳的電源供應(yīng)引腳；PS是通信協(xié)議選擇引腳，由于MS5611帶有SPI和IIC兩種通信總線接口，在使用時(shí)必須對其做出選擇，當(dāng)PS與VDDIO連接時(shí)選擇的通信協(xié)議為IIC，PS與GND連接時(shí)選擇的通信協(xié)議為SPI，當(dāng)PS為浮空狀態(tài)時(shí)選用的是專用模式；INT1和INT2為中斷輸出引腳；SDO為數(shù)據(jù)輸出引腳；SDI為數(shù)據(jù)輸入引腳；SCK為時(shí)鐘引腳；CSB為SPI模式選擇引腳.由于IIC總線連線簡單，且本系統(tǒng)將傳感器嵌入式安裝在水中以無線的方式發(fā)送信號(hào)，為盡可能降低功耗，采用只用兩根線的I2C總線與ESP8266進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，所以在連線過程中將PS引腳與VDD連接.ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)解決方案[5]，能夠獨(dú)立運(yùn)行，具有低功耗、設(shè)計(jì)緊湊、價(jià)格低廉、性能可靠等特點(diǎn).ESP8266內(nèi)部集成4 MB的Flash，80 kB的內(nèi)存，其兼容性非常好，支持 AT 指令，并且具有SPI/SDIO和I2C/UART數(shù)據(jù)接口，其內(nèi)部框圖如圖5所示.BMA250在獲取廊道內(nèi)數(shù)據(jù)后，通過IIC數(shù)據(jù)總線將采集的數(shù)據(jù)傳送給ESP8266，在ESP8266內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行無線編碼，然后通過模塊內(nèi)置天線完成向外發(fā)送.

圖5 ESP8266內(nèi)部原理

ESP8266與BMA250的硬件連接如圖6所示.由于BMA250與ESP8266通過I2C進(jìn)行通信，所以只需要連接兩條線即可，但在實(shí)際操作中，為保證數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性，使兩個(gè)設(shè)備具有公共參考電平，所以將兩設(shè)備共地.

2.3 “數(shù)據(jù)匯總分析部分”設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)匯總分析部分主要是對各個(gè)水流情況數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線接收和匯總，在無線接收時(shí)，系統(tǒng)利用ESP8266內(nèi)置的Wi-Fi協(xié)議通信.Wi-Fi協(xié)議又稱802.11b標(biāo)準(zhǔn)，其最大優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度較高，可以達(dá)到11 Mb/s，另外它的有效距離也很長，同時(shí)也與已有的802.11DSSS設(shè)備兼容，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致分為兩種：基礎(chǔ)網(wǎng)和自組網(wǎng).基礎(chǔ)網(wǎng)基于AP(AP：無線接入點(diǎn)，是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn))組建的基礎(chǔ)無線網(wǎng)絡(luò)，是由AP創(chuàng)建，眾多 STA(STA：每一個(gè)連接到無線網(wǎng)絡(luò)中的終端)加入所組成的無線網(wǎng)絡(luò)，這種類型網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是AP是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，網(wǎng)絡(luò)中所有通信都通過 AP 來轉(zhuǎn)發(fā)完成；自組網(wǎng)僅由兩個(gè)及以上STA組成，網(wǎng)絡(luò)中不存在 AP，這種類型的網(wǎng)絡(luò)是一種松散結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中所有的 STA 都可以直接通信[6].本系統(tǒng)中為便于管理，采用基礎(chǔ)網(wǎng)的無線組網(wǎng)方式，其中AP由無線路由充當(dāng)，各個(gè)STA由水流情況數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D7所示.

圖7 Wi-Fi無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，使用3個(gè)水流情況數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)監(jiān)測廊道內(nèi)水流情況，若要監(jiān)測廊道內(nèi)的分層情況可外加水流情況監(jiān)測節(jié)點(diǎn).

當(dāng)廊道內(nèi)各個(gè)水流情況數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后，通過Wi-Fi協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線路由器，無線路由器對各點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合匯總，高性能計(jì)算機(jī)也通過Wi-Fi協(xié)議訪問無線路由，獲取數(shù)據(jù)后，首先對其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲取設(shè)備IP地址及水流數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，再對其進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，并根據(jù)設(shè)備地址分別顯示其三軸數(shù)據(jù)曲線.通過三軸數(shù)據(jù)曲線獲取監(jiān)測點(diǎn)處的水流情況，從而確定能量收集器的放置區(qū)間.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信基于ESP8266內(nèi)部的Wi-Fi模塊進(jìn)行無線傳輸，Wi-Fi模塊的通信流程主要分為：設(shè)備初始化、請求注冊、數(shù)據(jù)發(fā)送請求和接收數(shù)據(jù)等[7].對于紊流數(shù)據(jù)采集端的工作流程為：BMA250和ESP8266初始化后，BMA250獲取廊道內(nèi)水流數(shù)據(jù)，然后傳輸給ESP8266，此時(shí)Wi-Fi模塊開始追蹤并關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)與無線路由關(guān)聯(lián)成功時(shí)，向其發(fā)送路由注冊請求，注冊成功后，再發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請求，在獲取允許發(fā)送響應(yīng)之后，發(fā)送水流數(shù)據(jù)給無線路由.數(shù)據(jù)匯總端的接收過程與發(fā)送過程相似，但與發(fā)送過程正好相反，數(shù)據(jù)的處理流程也相反.其處理流程如圖8所示.

圖8 Wi-Fi模塊的工作流程

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是直觀地顯示出廊道內(nèi)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處的水流情況，軟件設(shè)計(jì)基于C# 窗體開發(fā)，在整個(gè)系統(tǒng)中由于每一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都有靜態(tài)的IP地址，所以利用Socket數(shù)據(jù)傳輸、Panel為容器、PictureBox為畫布，顯示系統(tǒng)各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的水流數(shù)據(jù)值.將數(shù)據(jù)值按照其各自的IP地址號(hào)分別存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)其地址值分別顯示監(jiān)測點(diǎn)X、Y、Z三軸的實(shí)時(shí)情況，其軟件界面如圖9所示.

圖9 能量收集器放置最佳區(qū)間確定界面

該界面主要是用來顯示各監(jiān)測點(diǎn)的三軸加速度情況，當(dāng)高性能計(jì)算機(jī)獲取到BMA250采集到的加速度時(shí)，對其進(jìn)行三維分解，獲得X、Y、Z三軸上的加速度情況，再根據(jù)加速度與位移的關(guān)系，分別計(jì)算出實(shí)時(shí)情況下各軸與監(jiān)測點(diǎn)產(chǎn)生的位移偏移，從而直觀地顯示出各點(diǎn)的水流情況.由ESP8266模塊在初始化時(shí)已經(jīng)設(shè)有靜態(tài)IP，為便于區(qū)分監(jiān)測點(diǎn)，從無線數(shù)據(jù)中獲取IP地址，并在軟件界面上顯示出來.本系統(tǒng)中由于廊道內(nèi)的水是實(shí)時(shí)流動(dòng)的，水流情況具有不確定性，所以各監(jiān)測點(diǎn)的波動(dòng)情況也是不斷更新的，總體而言，一旦監(jiān)控位置保持不變，其波動(dòng)范圍發(fā)生突變的幾率不大，所以對于系統(tǒng)的準(zhǔn)確性影響不是很大.

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)利用三個(gè)無線監(jiān)測點(diǎn)對廊道內(nèi)的位置進(jìn)行監(jiān)測，再通過曲線實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測點(diǎn)X、Y、Z各軸相對于監(jiān)測中心發(fā)生的偏移量，經(jīng)過多次重復(fù)性試驗(yàn)之后即可獲得能量收集器的最佳放置區(qū)間.本文利用水泵作為水循環(huán)裝置，僅針對規(guī)格為10 cm×10 cm×100 cm的玻璃廊道進(jìn)行多次重復(fù)監(jiān)測，獲得的各軸距監(jiān)測點(diǎn)中心的偏移情況隨監(jiān)測點(diǎn)放置位置的變化數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 X、Y、Z軸偏移情況隨放置位置變化

從表1中數(shù)據(jù)變化情況可以看出:隨著放置距離的逐漸增加，X軸距中心位置的偏移幅度呈先減后增的趨勢，但在40～70 cm區(qū)間內(nèi)呈平穩(wěn)趨勢；Y軸距中心位置的偏移幅度呈先減后增的趨勢，但在40～70 cm區(qū)間內(nèi)呈平穩(wěn)趨勢，其幅度變化范圍未超過20 %；Z軸距中心位置的偏移幅度呈先減后增的趨勢，但在40～70 cm區(qū)間內(nèi)呈平穩(wěn)趨勢，其變化值圍繞6.5 %波動(dòng).在多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中水流情況與放置距離比對曲線如圖10所示.

圖10 水流情況與放置距離比對曲線

綜合三軸變化情況以及水流情況與放置距離比對曲線，規(guī)格為10 cm×10 cm×100 cm的玻璃廊道，由于儲(chǔ)水器水的巨大壓力，在入水口處紊流現(xiàn)象明顯且水流情況波動(dòng)較大，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明在距廊道入水口處40 cm水流進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，且水流流速為0.7 m/s，流速在0.5～1.0 m/s范圍內(nèi)，符合海底洋流流動(dòng)的速度范圍.為保證水流的平穩(wěn)性，選擇距廊道入水口42 cm處為壓電能量收集器最佳放置區(qū)間的起始點(diǎn).在廊道的出水口處由于水流方向增多，所以紊流情況逐漸增強(qiáng)，據(jù)監(jiān)測表明在距入水口處80 cm之前，水流流動(dòng)相對穩(wěn)定，為確保水流的穩(wěn)定性，選擇距入水口74 cm處為壓電能量收集器最佳放置區(qū)間的終點(diǎn).由此得出結(jié)論：在距離廊道入水口42～74 cm區(qū)間內(nèi)水流情況穩(wěn)定，無紊流情況發(fā)生，是壓電能量收集器最佳放置區(qū)間.系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，在該區(qū)間內(nèi)放置3個(gè)能量收集器，前兩個(gè)能量收集器由于阻力作用會(huì)使平穩(wěn)的水流產(chǎn)生渦旋，并且第2個(gè)能量收集器對第1個(gè)能量收集器的渦旋進(jìn)行放大，當(dāng)水流到達(dá)第3個(gè)能量收集器時(shí)水流的渦旋最大，并且使能量收集器中壓電片的擺動(dòng)幅度最大，實(shí)現(xiàn)能量產(chǎn)出的最大化.經(jīng)實(shí)踐證明，系統(tǒng)提供的壓電能量收集器最佳放置區(qū)間可以最大化的收集水流中的能量，具有實(shí)用價(jià)值.

5 結(jié) 論

仿海底洋流實(shí)驗(yàn)中水流動(dòng)狀況智能監(jiān)控系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，減少了由于布線為廊道內(nèi)水流情況帶來的影響；三軸加速度傳感器可以較好地監(jiān)測廊道內(nèi)水流加速度情況；采用Wi-Fi技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收可使數(shù)據(jù)傳輸具有方便性和靈活性；通過無線路由對采集的信息進(jìn)行匯總，最終在監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示，顯示出系統(tǒng)具有直觀性.本文僅對規(guī)格為10 cm×10 cm×100 cm的玻璃廊道進(jìn)行具體分析，如果采用其他規(guī)格廊道，只需按照此過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對其進(jìn)行分析即可.系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地監(jiān)控廊道內(nèi)的水流情況，并且可以確定能量收集器最佳放置區(qū)間；隨著時(shí)間地推移，確定的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)幅度不大，具有強(qiáng)穩(wěn)定性；水流情況穩(wěn)定，未發(fā)生紊流情況，且水流速處于0.5～1.0 m/s的范圍內(nèi)，符合海底洋流的實(shí)際情況.整個(gè)系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可移植性，為實(shí)驗(yàn)中能量收集器放置區(qū)間的選擇提供了依據(jù)，具有實(shí)際意義.