熊豐 張里 張兆麒 馬勤波 郭瑤
(重慶理工大學應用技術學院,重慶 400054)
風能、太陽能都是清潔、綠色的能源。當前全球可利用的風能比地球上可利用的水能總量還要大10倍。每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當于130萬億噸煤,其總量屬于世界上可以開發(fā)的最大能源。而煤炭、石油、天然氣都是消耗性的能源,逐年開采,剩余的越來越少,甚至完全枯竭。在環(huán)境污染越來越嚴重,資源匱乏的今天,這一點極其寶貴。
而隨著世界航運業(yè)的飛速發(fā)展,船舶成倍增長,航速不斷提高,由原來幾節(jié)到十幾節(jié),現(xiàn)在可達三四十節(jié)以上,載重量由萬噸、幾萬噸到幾十萬噸,航線遍及世界大洋。與此同時,海難事故也明顯增多,所以迫切需要一種有效的海上救援系統(tǒng)。
本設計以STM32F407ZGT6為主控,采用模塊化設計,該系統(tǒng)主要由風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、電能轉換、儲能、GPS定位、數(shù)據(jù)采集處理和無線通訊等模塊組成(如圖1)。在海上船只發(fā)生意外時,遇事船只可以向此系統(tǒng)發(fā)送求救信號,此系統(tǒng)可以實時采集遇險船只信息,在屏幕上實時顯示遇事船只的位置、舵角及航速等各項信息,并計算出遇事船只的實時位置,將求援信號發(fā)送給附近收到求救信號的船只,讓他們前來救援,并且此系統(tǒng)還可以為一些小型設備供電,保證生命所需應急設備能夠照常工作。
圖1 系統(tǒng)整體設計
本系統(tǒng)的主機架設在固定的海岸的應急搜救點或漂浮在海平面上,從機安置在船只上,當船只進入到本系統(tǒng)覆蓋的海域時,從機請求連接網(wǎng)絡,連接網(wǎng)絡成功后,主機即可實時通過無線網(wǎng)絡系統(tǒng)得到從機的數(shù)據(jù)反饋來監(jiān)視船只異常情況,如果發(fā)生異常情況,主機會利用位置推算系統(tǒng)預測船只遇險的大概位置,并通過無線通信系統(tǒng)告知鄰近船只展開救援[1]。
1.2.1 主機端
主機架設在海岸上的固定點或漂浮在海平面上,主機主要包括無線通信系統(tǒng)、位置推算系統(tǒng)、電能補給系統(tǒng)3大部分組成。海上救援系統(tǒng)主機端模型如圖2所示。
圖2 主機端模型
(1)無線通信系統(tǒng)。主機的無線通信系統(tǒng)會建立一個通信網(wǎng)絡,它是基于esp8266WiFi模塊以TCP協(xié)議為核心搭建的局域網(wǎng)絡,當船只進入了覆蓋海域之后會請求連接網(wǎng)絡,當網(wǎng)絡連接完成以后主從機可通過此網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交互。
(2)位置推算系統(tǒng)。主機通過無線通信網(wǎng)絡從從機返回的數(shù)據(jù)判斷是否處于異常狀態(tài),如果船只出現(xiàn)異常,則會執(zhí)行位置推算系統(tǒng)推算船只可能出事的位置,并通過無線通信系統(tǒng)通知最近的船只進行救援。
(3)電能補給系統(tǒng)。如圖2所示,電能補給系統(tǒng)利用了海上豐富的風能與太陽能等清潔能源進行發(fā)電,采用一個50W的風力發(fā)電機和2個50W的太陽能板進行發(fā)電,將上述發(fā)電裝置產生的電能經由電能轉換裝置進行變換后輸出有效的固定電壓,實現(xiàn)儲能與向外界負載供電的功能,通過MCU的ADC端口可以檢測出儲能電池現(xiàn)有的電量[2]。此補給系統(tǒng)不僅可以為系統(tǒng)本身提供能量,還使用無線與有線充電兩種方式為遇險人員提供應急的電力支持。
1.2.2 從機端
從機主要是安裝在船只上,也就是用戶端,主要由位置獲取系統(tǒng),無線通信系統(tǒng)兩大部分組成。針對用戶端還設計了一款App,如圖3所示。在App上,用戶可以看到自己的船只狀態(tài)、經度及緯度信息,在船只遇事時,可以通過此App看到附近救援船只的位置信息,并與救援船只進行有效的溝通。
圖3 用戶端App
(1)位置獲取系統(tǒng)。主要是由GPS模塊組成,用于定位船只的位置信息,將數(shù)據(jù)保存在MCU板載FLASH上,當船只出現(xiàn)異常情況的時候,可以將位置實時發(fā)送至主機,由主機調配臨近船只進行救援。當GPS模塊不幸因為各種原因損壞的時候,我們的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會采集舵角與航速信息,主機會推測出大致的位置,其流程圖如圖4所示[3]。
圖4 位置獲取流程圖
(2)無線通信系統(tǒng)。主機的無線通信系統(tǒng)會建立一個通信網(wǎng)絡,當船只進入了覆蓋海之后會請求連接網(wǎng)絡,當網(wǎng)絡連接完成以后從機可通過此系統(tǒng)向主機傳輸GPS位置信息以及舵角航速等重要信息,主機也可以通過此網(wǎng)絡告知船只哪里出現(xiàn)了遇事船只需要救援。
本文介紹的海上救援系統(tǒng)模型相比于傳統(tǒng)的專門救援船,海上航行的船只接入系統(tǒng)網(wǎng)絡后,一旦有船只遇事,按下求救按鈕,將求救信息發(fā)送給救援系統(tǒng),在遇事船只的GPS壞了的情況下,系統(tǒng)根據(jù)當前航向、航速、風速、水速等信息推算其當前位置,救援系統(tǒng)將搜索離遇事船只最近的船只,并向其發(fā)送救援信息,請求救援,這種鄰船快速救援模式極大地提升了救援效率,保障了人民群眾的生命財產安全。