仿海底洋流实验中水流动状况智能监控系统

王金亮， 安然然， 路晨贺， 孙晓鑫， 张语仙

(沈阳化工大学 计算机科学与技术学院， 辽宁 沈阳 110142)

近年来，海洋资源的利用被广泛关注，海底洋流流速较慢(0.5～1 m/s)且具有平稳持续的特征.利用压电材料做成压电能量收集器收集海洋流动的能量，并为海上无线传感器网络供电成为一项尤为热门的课题，国内外涌现出许多利用海洋洋流涡致振动现象进行发电的理论报告与成果，如密歇根大学海洋可再生能源实验室(marine renewable energy lab 简称 MRElab)的 Bernitsas 等[1-2]提出了一种涡致振动清洁水能源收集系统(vortex induced vibration for aquatic clean energy)，重庆大学的王军雷研究了VIVACE能量转换机的理论模型和结构[3]，然而其均未提及各种压电能量收集器最佳放置区间以及放置该区间的实验依据.在实验室对压电能量收集器进行模拟海底洋流系统的实验中发现，由于实验室中水循环设施受尺寸大小限制，在实验过程中会出现层流及紊流现象.本文通过实验模拟海底洋流运动，从而为进一步研究利用海底洋流进行压电能量收集提供实验条件.实验室仿真海底环境时，一般采用两种策略：一是采用大型水池，在水池上部悬挂步进电机，通过步进电机的移动来带动传感器移动，间接实现洋流流动策略，这种方式因为电机在运动时会产生振动，因此对压电传感器的分析会造成影响，使采集数据不准确；二是采用明渠方式，让水流从一个储水器沿着开放廊道流入另一个储水器，但这种方式更偏向于河流表层的流动.因此最好的策略是采用双深水池，如图1所示，水池侧边底部通过廊道联通，使水在水压力下完成一个水池向另一个水池的流动，这种情况下玻璃廊道内水的流动方式更接近于洋流的流动方式.

图1 仿海底洋流实验装置示意图

为了分析实验装置中玻璃廊道内水流的运动状况，本文利用三轴加速度传感器和无线通信技术设计了水流状态实时监测系统，通过对廊道内水流状态的分析确定压电能量收集器最佳放置区间，从而进一步为海底涡致振动压电能量收集实验提供基础.

1 系统总体设计方案

系统主要分成两个组成部分：水流情况数据采集部分和数据汇总分析部分.水流情况数据采集部分主要通过传感器采集水循环廊道内流动液体的平稳度.当水流在廊道内流动时，如果没有紊流情况，整个管道内的水流方向是一致的；如果出现了紊流情况，水流会互相扰动，通过三轴加速度传感器可以感应出水流在X、Y、Z轴3个方向的流向变化.如果水流在Y、Z轴上波动明显，则此区域不适合作为压电能量收集器的放置区间.设计方案中的传感器因需要埋入到水循环系统的玻璃廊道中，如果采用有线信号传送，通讯的电缆会对水流产生影响，造成测试效果不准确.因此系统采用将三轴加速度传感器与无线通讯芯片相结合的方式，即直接将三轴加速度传感器与无线通讯芯片集成到一个最小电路板，最小化测试面积.三轴加速度传感器检测到的信号直接通过无线模块向外传送，主控端通过无线模块接收到水流数据后再传送给高性能的PC机完成数据的分析、处理、显示.系统总体框图如图2所示.

图2 系统总体框图

2 系统硬件设计方案

2.1 系统总体硬件结构设计

系统硬件结构设计主要分成两部分：水流情况数据采集部分和数据汇总分析部分.水流情况数据采集部分主要包括采集电路、信号初级放大电路、低通滤波电路、后级放大电路、采样保持电路、模数转换电路和无线通信模块.此部分主要用来采集各个测试段加速度传感器的数据信号，并进行放大、滤除采集过程中产生的干扰信号，最后将稳定的信号进行模数转换，并通过无线芯片进行传送；数据汇总分析部分采用与无线发射端具备相同无线协议性质的设备进行数据接收，并通过无线通信方式将接收到的数据传递给主控机，主控机对传递上来的数据进行存储、分析，并将处理结果动态显现出来.整个系统的数据处理流程如图3所示.

图3 系统数据处理流程

2.2 水流情况数据采集部分设计

水流情况数据采集部分主要实现的是对于廊道内水流情况的采集，为此选用BMA250三轴加速度传感器，从X、Y、Z三维空间上对洋流情况进行采集.BMA250是德国 Bosch 公司设计的一款三轴、低加速度传感器，支持三正交轴的加速度测试.其具有超小型封装、多选择数字接口、可编程、片上中断控制、超低功率和绿色环保等特点.BMA250体积小，规格大小为2 mm×2 mm×1 mm，提供了SPI和IIC总线接口，加速度范围±2 g/±4 g/±8 g/±16 g，低通滤波器带宽8～1 000 Hz，工作电压范围1.2～3.6 V[4].由于体积小，BMA250可以很好地采集廊道内的水流情况，且对水流的影响作用小，几乎使水流状态不发生改变；提供SPI和IIC两个总线接口，为数据通信提供了选择；工作电压在1.2～3.6 V之间，功耗低，使其可以在廊道内持续3个月进行监测.BMA250原理框图如图4所示.

图4 三轴加速度传感器原理

从图4可以看出：BMA250具有10个引脚，VDD是电源线连接引脚；GND是地线连接引脚；VDDIO是I/O引脚的电源供应引脚；PS是通信协议选择引脚，由于MS5611带有SPI和IIC两种通信总线接口，在使用时必须对其做出选择，当PS与VDDIO连接时选择的通信协议为IIC，PS与GND连接时选择的通信协议为SPI，当PS为浮空状态时选用的是专用模式；INT1和INT2为中断输出引脚；SDO为数据输出引脚；SDI为数据输入引脚；SCK为时钟引脚；CSB为SPI模式选择引脚.由于IIC总线连线简单，且本系统将传感器嵌入式安装在水中以无线的方式发送信号，为尽可能降低功耗，采用只用两根线的I2C总线与ESP8266进行数据通信，所以在连线过程中将PS引脚与VDD连接.ESP8266是一个完整且自成体系的Wi-Fi网络解决方案[5]，能够独立运行，具有低功耗、设计紧凑、价格低廉、性能可靠等特点.ESP8266内部集成4 MB的Flash，80 kB的内存，其兼容性非常好，支持 AT 指令，并且具有SPI/SDIO和I2C/UART数据接口，其内部框图如图5所示.BMA250在获取廊道内数据后，通过IIC数据总线将采集的数据传送给ESP8266，在ESP8266内对数据进行无线编码，然后通过模块内置天线完成向外发送.

图5 ESP8266内部原理

ESP8266与BMA250的硬件连接如图6所示.由于BMA250与ESP8266通过I2C进行通信，所以只需要连接两条线即可，但在实际操作中，为保证数据通信的准确性，使两个设备具有公共参考电平，所以将两设备共地.

2.3 “数据汇总分析部分”设计

数据汇总分析部分主要是对各个水流情况数据采集部分的数据进行无线接收和汇总，在无线接收时，系统利用ESP8266内置的Wi-Fi协议通信.Wi-Fi协议又称802.11b标准，其最大优点是传输速度较高，可以达到11 Mb/s，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的802.11DSSS设备兼容，其网络拓扑结构大致分为两种：基础网和自组网.基础网基于AP(AP：无线接入点，是一个无线网络的创建者，是网络的中心节点)组建的基础无线网络，是由AP创建，众多 STA(STA：每一个连接到无线网络中的终端)加入所组成的无线网络，这种类型网络的特点是AP是整个网络的中心，网络中所有通信都通过 AP 来转发完成；自组网仅由两个及以上STA组成，网络中不存在 AP，这种类型的网络是一种松散结构，网络中所有的 STA 都可以直接通信[6].本系统中为便于管理，采用基础网的无线组网方式，其中AP由无线路由充当，各个STA由水流情况数据采集节点构成，其网络拓扑如图7所示.

图7 Wi-Fi无线通信网络拓扑

为实现系统的经济性，使用3个水流情况数据采集节点监测廊道内水流情况，若要监测廊道内的分层情况可外加水流情况监测节点.

当廊道内各个水流情况数据采集节点采集到数据后，通过Wi-Fi协议将数据发送给无线路由器，无线路由器对各点数据进行整合汇总，高性能计算机也通过Wi-Fi协议访问无线路由，获取数据后，首先对其进行数据分析，获取设备IP地址及水流数据，然后进行数据存储，再对其进行数据显示，并根据设备地址分别显示其三轴数据曲线.通过三轴数据曲线获取监测点处的水流情况，从而确定能量收集器的放置区间.

3 系统软件设计方案

系统数据通信基于ESP8266内部的Wi-Fi模块进行无线传输，Wi-Fi模块的通信流程主要分为：设备初始化、请求注册、数据发送请求和接收数据等[7].对于紊流数据采集端的工作流程为：BMA250和ESP8266初始化后，BMA250获取廊道内水流数据，然后传输给ESP8266，此时Wi-Fi模块开始追踪并关联网络，当与无线路由关联成功时，向其发送路由注册请求，注册成功后，再发送数据发送请求，在获取允许发送响应之后，发送水流数据给无线路由.数据汇总端的接收过程与发送过程相似，但与发送过程正好相反，数据的处理流程也相反.其处理流程如图8所示.

图8 Wi-Fi模块的工作流程

系统的软件设计主要是直观地显示出廊道内各个监测点处的水流情况，软件设计基于C# 窗体开发，在整个系统中由于每一个通信节点都有静态的IP地址，所以利用Socket数据传输、Panel为容器、PictureBox为画布，显示系统各监测节点的水流数据值.将数据值按照其各自的IP地址号分别存储在数据库中，根据其地址值分别显示监测点X、Y、Z三轴的实时情况，其软件界面如图9所示.

图9 能量收集器放置最佳区间确定界面

该界面主要是用来显示各监测点的三轴加速度情况，当高性能计算机获取到BMA250采集到的加速度时，对其进行三维分解，获得X、Y、Z三轴上的加速度情况，再根据加速度与位移的关系，分别计算出实时情况下各轴与监测点产生的位移偏移，从而直观地显示出各点的水流情况.由ESP8266模块在初始化时已经设有静态IP，为便于区分监测点，从无线数据中获取IP地址，并在软件界面上显示出来.本系统中由于廊道内的水是实时流动的，水流情况具有不确定性，所以各监测点的波动情况也是不断更新的，总体而言，一旦监控位置保持不变，其波动范围发生突变的几率不大，所以对于系统的准确性影响不是很大.

4 系统数据分析

系统利用三个无线监测点对廊道内的位置进行监测，再通过曲线实时显示监测点X、Y、Z各轴相对于监测中心发生的偏移量，经过多次重复性试验之后即可获得能量收集器的最佳放置区间.本文利用水泵作为水循环装置，仅针对规格为10 cm×10 cm×100 cm的玻璃廊道进行多次重复监测，获得的各轴距监测点中心的偏移情况随监测点放置位置的变化数据如表1所示.

表1 X、Y、Z轴偏移情况随放置位置变化

从表1中数据变化情况可以看出:随着放置距离的逐渐增加，X轴距中心位置的偏移幅度呈先减后增的趋势，但在40～70 cm区间内呈平稳趋势；Y轴距中心位置的偏移幅度呈先减后增的趋势，但在40～70 cm区间内呈平稳趋势，其幅度变化范围未超过20 %；Z轴距中心位置的偏移幅度呈先减后增的趋势，但在40～70 cm区间内呈平稳趋势，其变化值围绕6.5 %波动.在多次重复实验中水流情况与放置距离比对曲线如图10所示.

图10 水流情况与放置距离比对曲线

综合三轴变化情况以及水流情况与放置距离比对曲线，规格为10 cm×10 cm×100 cm的玻璃廊道，由于储水器水的巨大压力，在入水口处紊流现象明显且水流情况波动较大，监测数据表明在距廊道入水口处40 cm水流进入平稳状态，且水流流速为0.7 m/s，流速在0.5～1.0 m/s范围内，符合海底洋流流动的速度范围.为保证水流的平稳性，选择距廊道入水口42 cm处为压电能量收集器最佳放置区间的起始点.在廊道的出水口处由于水流方向增多，所以紊流情况逐渐增强，据监测表明在距入水口处80 cm之前，水流流动相对稳定，为确保水流的稳定性，选择距入水口74 cm处为压电能量收集器最佳放置区间的终点.由此得出结论：在距离廊道入水口42～74 cm区间内水流情况稳定，无紊流情况发生，是压电能量收集器最佳放置区间.系统实际运行过程中，在该区间内放置3个能量收集器，前两个能量收集器由于阻力作用会使平稳的水流产生涡旋，并且第2个能量收集器对第1个能量收集器的涡旋进行放大，当水流到达第3个能量收集器时水流的涡旋最大，并且使能量收集器中压电片的摆动幅度最大，实现能量产出的最大化.经实践证明，系统提供的压电能量收集器最佳放置区间可以最大化的收集水流中的能量，具有实用价值.

5 结 论

仿海底洋流实验中水流动状况智能监控系统将物联网技术与传感器网络技术相结合，减少了由于布线为廊道内水流情况带来的影响；三轴加速度传感器可以较好地监测廊道内水流加速度情况；采用Wi-Fi技术进行数据的无线发送和接收可使数据传输具有方便性和灵活性；通过无线路由对采集的信息进行汇总，最终在监控界面上实时显示，显示出系统具有直观性.本文仅对规格为10 cm×10 cm×100 cm的玻璃廊道进行具体分析，如果采用其他规格廊道，只需按照此过程进行数据采集，并对其进行分析即可.系统运行结果表明：该系统可以准确地监控廊道内的水流情况，并且可以确定能量收集器最佳放置区间；随着时间地推移，确定的区间内波动幅度不大，具有强稳定性；水流情况稳定，未发生紊流情况，且水流速处于0.5～1.0 m/s的范围内，符合海底洋流的实际情况.整个系统具有较好的实时性、准确性和可移植性，为实验中能量收集器放置区间的选择提供了依据，具有实际意义.