风光互补发电无人值守自动观测站的设计

刘 颉，梁 捷，杨 逍，吕九红，张晓娟，赵宏彬

（国家海洋技术中心，天津300112）

风光互补发电无人值守自动观测站的设计

刘 颉，梁 捷，杨 逍，吕九红，张晓娟，赵宏彬

（国家海洋技术中心，天津300112）

针对我国近海海洋观测的现状和存在的问题，研制一种安装结构简单，无需架设电源线和通信线，供电采用风光互补发电系统，通信采用无线通信网络，并具有视频监视功能的高可靠性、无人值守自动观测站。

自动观测站；数据采集；看门狗；GPRS；视频监控；EVDO；风光互补发电系统

自动观测站是公益性项目天津滨海新区风暴潮监测预报预警技术与示范的重要组成部分。项目的目标是完善风暴潮实时监测，改进监测监视的手段，整合优化观测站点和监测数据采集网络，实现可视化监视，建立滨海新区小区域、精细化温带风暴潮增减水数值预报模式，利用高精度风暴潮漫滩数值模式实现风暴潮灾害淹没风险评估。

现有的海洋灾害监测和预报预警技术，在防灾减灾方面发挥了很大的作用，但仍然存在如下的不足：目前的站点分布不足，实测数据较少；目前的观测站点缺乏监测监视的可视内容，不能为决策提供现场风浪、增水情况等直观信息，手段急需更新提高；观测站点多面广，比较分散，远离电网，若通过电网向观测站供电，架设线路长，投资较大，效益差。与发达国家相比,我国设在近海海域用于海洋观测的台站数量明显偏少,观测站点密度极低,急需大量增设岸基海洋观测站点，尤其是安装方便、结构简单的无人值守自动观测站点。

针对以上问题研制了无人值守的基于风光互补发电系统可视化实时观测自动观测站，本文主要介绍了基于风光互补发电系统可视化实时观测自动观测站的设计。

1 自动观测站的设计

自动观测站是系统的重要组成部分，图1为自动观测站整体效果图；自动观测站功能框图如图2，由采集控制系统、风光互补发电系统、风传感器、气压传感器、水位传感器、视频传感器、视频控制器、无线路由器、无线DDN数据终端（DTU）、GPS、LED路灯、备份网络等组成。

自动观测站主要功能是采集存储观测站潮位、气压、风速、风向实测数据和现场图像信息，实现对现场风浪、增水情况的实况可视化监视。潮汐、风向、风速、气压等水文气象数据实时观测，每1 min数据中心通过无线网络向观测站要一次数据；视频监视由用户远程无线控制，按需开启，视频数据经压缩编码后实时传输至数据中心，用户通过数据中心间接访问测站视频；用户可远程控制路灯打开、关闭，实现全天候观测；观测站由风光互补发电系统供电，无需外接市电。

图1 自动观测站整体效果图

2 采集控制系统的硬件设计

自动观测站采集控制系统框图如图3。由于观测站都是位于海边且无人值守的，所以器件均需选择低功耗、高可靠性的工业级芯片。

图2 自动观测站功能框图

图3 自动观测站采集控制系统框图

2.1 控制处理器PhyCORE-591

单板机PhyCORE-591板上的标准存储配置为128 kB外部SRAM和128 kBFlash，用于储存用户代码。引脚管座整齐地排列在板的两边，使其能够象一个“大芯片”那样插入目标应用和标准的试验、开发板。自由的芯片选择信号使它能方便地接入外部设备。

2.2 双路数据采集板

采集控制系统通过基于I2C总线的智能传感器转换器完成对风传感器、气压传感器、水位传感器的数据采集、存储（存储1 a观测数据）。为了实现多个传感器的同时采集,采用模块化,开放式设计思想,在测量单元主控制器外扩展了多个采集模块.设计了基于I2C总线的多路RS232/485智能传感器转接口。这样不同的传感器可以同时工作,在传感器工作的同时,主控制器可以进行其它的工作,不必一直等待，转换模块可以增加采样频率，通过对数据进行滤波，提高数据质量。

对于观测系统，多传感器数据采集与数据处理历来是系统设计中的关键和难点。传统的多传感器测量通常采用集中测量方式，即一个控制器通过多个I/O口直接连接多个传感器，所有传感器的采集、必要的处理和存储操作由一个控制器完成。这使得测量系统的通用性不强，当增加或更换不同的传感器时，系统不易更改，而且会使得系统控制复杂度越来越高，这种控制方式对处理器的性能要求较高，可靠性降低。另外，由于各个传感器接口方式和协议不同，使得多个传感器的控制方式很难统一，造成系统开发和维护难度增加，不利于今后的使用。另外，随着传感器技术向智能化和数字化发展，传感器接口趋于智能化和数字化，对于这种接口方式，集中方式一般采用设备数据通道分时复用的方法，也就是主控制器的一个串行接口直接与多个传感器和设备通信，某一时刻只能有一台设备接收控制器的命令、采样并发回数据，其他设备处于空闲等待状态。通过控制器不断的切换通道完成多传感器的测量。这种测量方式在实时性要求不高、测量设备较少或数据密度要求不高的情况下可以使用。由此可以看出，传统的集中测量方式很难适应这些变化。我们采取了一种分布式测量方式，能够克服上述弊端，适应传感器智能化的发展，适应观测不同目的需求的多种要素测量配置，并且在时间和空间上满足同步、实时测量的要求。

双路数据采集板采用总线式栈接结构，可方便扩展，使用两块采集板，如系统需要增加传感器，可方便扩展，无需更改硬件电路。通过实际测试证明，基于I2C总线的多传感器同步测量系统可以满足应用需求，稳定地获取多个传感器的测量数据，实现多台传感器的同步、实时测量，为集成测量系统多传感器的数据采集、存储和传输提供了很好的解决方案。本系统硬件和软件设计都使用了开放式的结构，添加设备相对容易，可以满足不同系统的测量需求，具有很好的可扩展性和通用性。在相关系统应用领域具有重要实用意义。

图4为基于I2C总线的智能传感器转换器图。

图4 基于I2C总线的智能传感器转换器图

2.3 看门狗

由于自动观测站是无人值守的，对可靠性要求很高，系统采用Microchip公司单片机PIC12F509作为看门狗电路，提高系统的可靠性。电路如图5。

图5 看门狗电路

看门狗是一个定时电路。这个电路平时只要一通电，就会不断计数；计满一定的时间后，产生一个溢出信号，该信号被接到单片机的RST端，引发系统复位。主CPU正常工作时，每隔一段时间（60 s）就输出一个信号到喂狗端，用来让定时器清零（俗称喂狗），从而避免了在正常工作状态下被复位。当程序跑飞或死机时，超过规定的时间不喂狗，就会触发系统复位。看门狗的作用就是防止程序发生死循环。本电路在完成以上功能的基础上，还可对串口、I2C总线实施监控，当其出现异常时，也对系统复位。

本看门狗的电路特点：

（1）外围电路简单，只要一个芯片没有其它外围电路；

（2）不需更改外围电路即可改变喂狗周期；

（3）监测灵活，可同时监测多组信号；

（4）功耗较低；

（5）芯片内嵌入时钟程序或外接时钟芯片可作为值班电路，控制系统上电、掉电。

2.4 风光互补发电系统电压监测

在自动观测站采集控制系统中，为防止风光互补发电系统对测量传感器的干扰，必须将测量系统和风光互补供电系统进行电气隔离,所以电压监测信号也要隔离。本系统选用线性光耦HCNR201是美国HP公司推出的高精度线性光耦，具有低成本、高线性度、高稳定度、频带宽、设计灵活的优点。

图6为风光互补供电系统电压监测电路，系统每分钟采集一次供电电压并传送到数据中心，数据中心实时了解供电情况；如果供电电压较低，系统进入省电模式，只完成传感器数据采集、存储、传输工作，待电压正常后回复正常的工作模式。

图6 风光互补供电系统电压监测电路

2.5 K9K8G08UOM存储器与PhyCORE-591的接口设计及应用

系统选用K9K8G08U0M作为大容量存储器，它是大容量、高可靠性的NAND存储器。其存储容量为1G字节(1 G*8 bit)，可存储20 a的观测数据，即使数据需要容错备份，也可存储10 a数据；可将数据线与地址线复用为8条I／O线，并分别提供命令控制信号线；命令、地址和数据信息均通过8条I／O线传输.不会因存储容量的增加而增加引脚数，从而极大方便系统设计和产品升级，而无需更改外部硬件连接可方便地升级为2 G字节或更高。因此成为嵌入式系统中实时存储大容量数据的最佳选择，非常适合大容量、小体积、低功耗系统的使用。

3 采集控制系统的软件设计

观测站主控制程序主要功能是定时采集各个传感器的数据、存储原始数据、将数据传输给数据中心，实现上层数据中心和底层传感器的软件控制与连接。向上通过无线DTU接收来自数据中心的控制命令，处理命令后通过DTU向数据中心发送回复命令。向下通过I2C总线访问多个传感器控制器，传感器控制器与传感器之间是一对一连接。

观测站主控制程序实现定时采集三个传感器的数据，对接收到的风速、风向数据和水位数据进行处理，将采集到的数据按照约定的命令格式通过无线DTU发送给上层数据中心。之后将此数据按照一定的格式存储在Flash中。

观测站主程序要随时可以接受来自上层数据中心的命令，做出正确的处理并给与回复。需要处理的命令主要有：

（1）每分钟获取准实时数据命令；

（2）开关路灯电源命令；

（3）开关视频电源命令；

（4）开关备用网络电源命令

（5）获取此前特定时刻（1 a内）的数据命令；

（6）复位采集控制系统命令；

命令的接收与处理方式是开放式的，可供以后添加命令。

为了使每次采集到的数据有准确的时间标签，观测站主控制程序有校时功能。每次程序启动时，都要通过串口访问GPS模块，在获取了准确的时间信息之后，对系统RTC中的时间进行更新。

4 自动观测站的数据传输

4.1 概述

测站分布在沿海地区，彼此距离较远，专线的架设和使用费用较高，不适宜。所以考虑用无线传输方式。

需要传输的主要潮汐、风向、风速、气压观测数据和视频图像。潮汐、风向、风速、气压等水文气象数据实时观测，根据《海滨观测规范》的要求，数据中心每1 min要一组观测数据，数据用户通过数据中心访问水文气象数据；视频监视由用户控制，按需开启，视频数据经压缩编码后实时传输至数据中心，用户通过数据中心间接访问测站视频。

4.2 组网形式

由于水文气象数据和视频数据对网络要求不同，水文气象数据特点是数据量小、实时连续传输，而且对保密性和可靠性有要求，因此还要考虑网络私密性；视频数据特点是虽然数据量大，但不需要24 h连续传输，而且无保密要求，因此网络传输只需要保证高速率。基于以上原因，考虑视频数据传输网络与水文气象数据传输网络分开。

4.2.1 水文气象数据传输网络

水文气象数据传输网络如下：水文气象数据中心通过基于GPRS或者EDGE的无线路由器接入；各个测站采用DTU方式接入；中国移动对所有接入通过APN方式组成局域网。图7为水文气象数据传输网络示意图。

图7 水文气象数据传输网络示意图

水文气象数据传输网络采用GPRS无线数据通信系统，以中国移动的GSM/GPRS网络为通信平台，通过无线数据传输终端设备(GPRS DTU)，在用户设备与数据中心之间建立完全透明、可靠的串行数据传输通道。采用GPRS数据传输终端进行应用开发，不必关心GPRS网络协议、TCP/IP协议等。

GPRS是通用分组无线业务(General Packet RadioService)的英文简称，是在原有GSM系统上发展出来的一种承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的调频规则以及同样的TDMA帧结构，这种分组数据信道结构与电路交换的话音业务信道极其相似。因此现有的基站子系统(BBS)从一开始就可以提供全面的GPRS覆盖。

GPRS是一种覆盖面广、组网灵活、安全可靠、接口简单、透明传输的中小数据量专用无线数据传输系统。GPRS通信模式特点突出：

（1）永远在线：GPRS DTU一开机就能自动连接到GPRS网络上，并与用户数据中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据，具有很高的实时性；

（2）按量计费：GPRS DTU一直在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时不收费用；

（3）组网简单安全：GPRS系统可以通过中国移动的APN模式构建与Internet隔离的专属的局域网，既为用户提供私密的网络环境，又同时保持接入便利、扩容简单、节省接入投资等优点；

（4）维护费用低廉：由于采用中国移动的GPRS数据业务，因此链路维护也由中国移动负责，免除通信链路维护的后顾之忧；

（5）安全可靠：由于采用中国移动的GPRS数据业务，所以在不影响上网的前提下，GPRSDTU的发射功率非常小，天线非常短，而且无需高架，克服了有线传输和无线电台传输容易引雷击坏设备的缺点。

4.2.2 视频数据传输网络

视频监视采用EVDO移动数据网络进行组网和数据通讯。它的具体内容包括：视频监控的视频主机将视频数据压缩、打包，然后通过EVDO无线路由器接入网络，视频数据中心接收端软件接收数据并分发给监控终端软件，通过监控软件，实时掌握各个被监控点的情况，并对发生的情况做出反应和处理，如图8。

EVDO无线网络视频监控系统是基于电信的EVDO 3G网络，主要由以下三部分组成：视频的采集压缩模块、3G无线路由器、中心的监控管理平台和客户端监控软件。系统结构简洁明了，扩展性好，能适应多变的监控要求。

图8 无线视频监控系统结构示意图

5 风光互补发电系统

观测站点多面广，比较分散，远离电网，若通过电网向观测站供电，架设线路长，投资较大，效益差。根据观测站用电负荷小、可靠性要求高、远离电网的特点，结合滨海新区的气象条件，海边有着丰富的风能和太阳能资源，全年都有很充足的风能和太阳能，特别是夏季的光照时间长强度高而冬季的风很大，风能和太阳能的时间互补性很强；并且周边比较开阔，障碍物少，为推广风光互补发电系统提供了极好的自然条件。采用风力发电和太阳能发电互补供电的技术向观测站提供电源，可确保观测站正常运行。

风光互补供电系统具有以下特点：

（1）无需架设电缆、一次性投资低，建设工期短；

（2）资源可再生、没有后续能源费用，符合国家能源发展战略；

（3）弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷；

（4）清洁、不造成环境污染；

（5）使用寿命较长，维护、管理方便；

（6）在野外环境下，采用风光互补电源更安全，并可做到无人值守。

风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组等几部分组成，如图9。

图9 风光互补发电系统连接图

6 现场验证

自2010年9月陆续安装4套自动观测站。

图10为北疆电厂观测站2011年5月26日观测数据，每分钟一组数据，由上而下依次是电压值、气压值、最大风向、最大风速、风向、风速、水位值。

图10 2011年5月26日观测数据

图11为东突堤观测站视频监视效果图，其中（b）为夜间观测效果图。

图11 视频监视效果图

7 总结

通过近1 a的运行发现，系统运行良好，可靠实现各项功能，系统运行稳定，非常适合在架设电缆不方便的偏远沿海使用，但风光互补发电系统使用过程中以下几个问题需要注意：

（1）风光互补发电系统发电量过大。风光互补发电系统非常适合在沿海偏远地区的使用，但在使用过程中需要注意发电量过大造成的问题。由于系统功耗较低，在海边风力较大、天气晴好的时候，系统发出的电剩余很多，需要控制器卸荷，这会造成风光互补发电系统的控制器过热。

（2）风光互补发电系统发电量过小。在风光互补发电系统使用过程中同样需要注意发电量过小的问题，在连续无风、阴天（无光）的天气条件下，发电量极小，需要长时间使用电池供电，可能会影响系统正常使用。

通过对供电电源电压的监控，可以知道发电量的大小。对于发电量过大问题采取打开路灯方式放电（放电电流3 A），有效地解决了这个问题。对于发电量过小问题采取改变系统工作方式的方法解决，使系统进入低功耗模式，降低采样和通信频率，电源采取分时工作方式，降低系统功耗，使问题得到解决。

[1]屈强.海洋站观测技术现状及发展设想[J].海洋技术，1994,13(1)：64-68.

[2]康寿岭.海洋台站自动观测系统[J].海洋技术，1995,14(3)：69-75.

[3]朱光文.我国海洋探测技术五十年发展的回顾与展望(一)[J].海洋技术，1999,18(2)：1-16.

[4]惠绍棠.关于建立中国海洋观测系统的国家计划——美国制定并实施全国性的海洋立体观测计划给我们的启示[J].海洋管理，2001,40-45.

[5]张喜验.海洋台站自动化观测系统模块化的实现[J].海洋技术，2000,19(3)：21-25.

[6]武东生，张齐.海洋站数据采集器的设计要点[J].海洋技术，2001,20(1)：59-61.

[7]刘颉.小型自主水下航行器大容量数据存储设计[J].海洋技术，2010,29(1)：17-23.

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

国家海洋局海洋公益性行业科研专项——天津滨海新区风暴潮监测预报预警技术与示范（200805018）