隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對能源的需求逐日增加，以往以煤、石油等非再生的古老能源已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在社會對能源的需求。我國有著廣闊的海岸線，對海浪能的開發(fā)利用成為目前開發(fā)新能源的重要方式。

    在眾多海浪發(fā)電裝置設備中均存在著對海浪能量的轉(zhuǎn)換效率低下的問題。針對效率轉(zhuǎn)換問題，蔡元奇教授提出了利用實時調(diào)節(jié)海浪發(fā)電裝置中擺子的固有自振頻率與海浪頻率相同的方法，進而與海浪產(chǎn)生諧振，從而減少了發(fā)電裝置的能量損耗，提高轉(zhuǎn)換效率^[1-2]。因此，需要實時掌握海浪的頻率參數(shù)，要保證得到的海浪頻率的準確可靠。

    本文設計了多功能海浪識別儀，以Cortex-A8作為主處理器，基于Linux操作系統(tǒng)，有很強的可移植性與擴展性。通過加速度傳感器采集浮標的加速度，對此信號采取EMD處理，并對分解之后的IMF進行閾值篩選，獲得有效分量，然后對該分量進行希爾伯特黃變換，從而準確計算出海浪的實時頻率^[3]。通過陀螺儀、電子羅盤、GPS可以精確定位波浪識別儀的準確方位以及姿態(tài)。通信網(wǎng)絡采用GPRS網(wǎng)絡，實時將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨哆叡O(jiān)控中心。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

    海浪數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理三部分^[4]組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集部分由加速度傳感器、陀螺儀、電子羅盤及GPS組成，主要作用是采集浮體的線加速度、角加速度、方位角以及GPS坐標。數(shù)據(jù)傳輸部分由GSM/GPRS收發(fā)模塊組成，能夠通過網(wǎng)絡使手機短信實時接收現(xiàn)場數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理部分由S5PV210處理器完成數(shù)據(jù)篩選、算法及處理。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 S5PV210處理器

    S5PV210是三星公司推出的高性能應用處理器，采用了Cortex-A8內(nèi)核，運行主頻可達1 GHz，可搭載Linux系統(tǒng)，帶有2路SPI、4路I²C與4路UART接口。

2.2 加速度傳感器

    選用基于VTI的3D-MEMS電容傳感技術(shù)的高性能低功耗的SCA3060三軸加速度傳感器，±2 g的測量量程、精度可達1 mg，完全滿足設備測量環(huán)境的客觀要求。將采集到的三個軸方向上的加速度數(shù)據(jù)通過SPI總線傳輸給處理器。電路圖如圖2所示。

2.3 陀螺儀模塊

    選用L3GD20三軸陀螺儀芯片。它提供了較寬的測量量程，用戶有足夠的選擇空間。為了滿足測量所需，同時保證測量精度，該系統(tǒng)中選用±500°/s量程，測量精度可達±0.015°/s。該芯片采用I2C總線方式與處理器進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 GPS模塊

    采用Gstar GS-87模塊，它是一個高效能、低功耗的智能型衛(wèi)星接收模塊。其工作電壓為3.3 V，定位精度可達10 m以內(nèi),通過串口與處理器進行通訊，通過GPRS網(wǎng)絡將所需數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心。

2.5 GSM/GPRS模塊

    選用中興的MF210模塊，本設計中利用SIM卡通過聯(lián)通網(wǎng)絡進行實時數(shù)據(jù)傳輸，外圍電路圖如圖3所示。

2.6 電子羅盤

    選用SCH9005集成電路模塊，該芯片集成了高精度氣壓傳感器和高精度磁傳感器，且具有溫度測量、氣壓測量、指南針方位測量功能。氣壓測量分辨率為±1 hPa，測量范圍是300 hPa~1 000 hPa，羅盤精度為±2°，分辨率為1°，以地磁的正北角為0°，模塊采用I2C接口將數(shù)據(jù)傳送給處理器。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集部分

    Linux操作系統(tǒng)中，上層用戶空間通過調(diào)用內(nèi)核空間的系統(tǒng)接口函數(shù)來完成對底層硬件的操作。因而要完成芯片的功能，首先需要編寫底層的驅(qū)動程序，其次是上層的應用程序。本設計中所選芯片運用到了I²C、SPI、UART 3種通信協(xié)議方式。雖然Linux系統(tǒng)內(nèi)核一般自帶有3種總線的驅(qū)動程序，但是其總線子系統(tǒng)框架復雜，不易移植，且編寫應用程序時不方便，因而考慮重新編寫基于對GPIO端口操作的字符設備驅(qū)動來完成對傳感芯片的數(shù)據(jù)操作^[5]。

    S5PV210芯片帶有3路I2C、兩路SPI接口和4路UART接口。電子羅盤和陀螺儀選用I2C方式通信，在I2C字符驅(qū)動程序中，直接通過地址映射對寄存器進行操作，配置寄存器I2CCON、I2CSTAT,設置其工作方式為主機模式，使能I²C中斷，設定其工作頻率為400 kHz。

    GPS和GPRS的串口傳輸選用“dev/ttyS0”和“dev/ttyS1”，在上層用戶空間中直接編寫應用程序，設置串口波特率為9 600 bit/s，8 bit數(shù)據(jù)傳輸，無奇偶校驗位。程序讀取GPS返回的GPRMC(推薦定位信息)，該信息包含了UTC時間，定位狀態(tài)，經(jīng)緯度，地面速率以及航向角。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸部分

    系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡傳輸方式實現(xiàn)現(xiàn)場和岸邊通信。

    對于GPRS網(wǎng)絡傳輸時，處理器將經(jīng)過處理后得到的海浪頻率、儀器的傾斜角、GPS地理方位等數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS網(wǎng)絡，GPRS網(wǎng)絡提供通信鏈路，將這些信息發(fā)送給固定IP地址，在監(jiān)控中心的上位機程序需要進行socket網(wǎng)絡編程，通過靜態(tài)IP地址看到數(shù)據(jù)。

    在ARM發(fā)送端，Linux系統(tǒng)啟動之后，首先要對串口進行初始化，配置串口參數(shù)，其次，對GSM模塊設置AT指令，主要用到的指令有AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”接入網(wǎng)絡；AT+TCPSERV設置上位機IP地址，AT+TCPPORT配置上位機監(jiān)聽端口設置。然后，通過AT+CONNETCIONSTART請求建立網(wǎng)絡連接，再通過AT+OTCP登陸網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)傳輸時，將數(shù)據(jù)打包封裝直接發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡，流程如圖4所示。

3.3 數(shù)據(jù)處理

3.3.1 海浪頻率的提取

    以所測得的三軸加速度為數(shù)據(jù)分析對象推算出海浪頻率，由于海浪波形具有隨機性，混亂性，而且在測量加速度信號時，采集系統(tǒng)的測量誤差、外界環(huán)境的干擾或其他因素的影響，使得測量到的加速度信號包含大量的噪聲。這些噪聲理論上可以使用傅里葉變換和小波變換進行分析處理，可是在實測數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)所測信號為非平穩(wěn)非線性信號，而傅里葉變化并只能處理平穩(wěn)信號，雖然小波變換在理論上能夠處理非平穩(wěn)非線性信號，但是在實際實踐過程中，發(fā)現(xiàn)處理效果并不理想，所以引入了希爾伯特黃變換算法。

    該算法可以簡單的表示為兩個步驟，首先需對原始信號進行EMD分解。EMD分解主要目的是將原始信號分解為多個IMF分量。IMF具有以下兩個特點：其極點數(shù)個數(shù)和零點數(shù)個數(shù)最多相差一個；其極大值點確定的包絡線與極小值點確定的包絡線的和必須為零。

   (1)將信號x(t)的極大值與極小值形成的包絡線取平均得到均值曲線l(t)，之后用原始信號x(t)減去均值曲線l(t)得到l₁(t)，判斷l(xiāng)₁(t)是否滿足IMF分量的兩個條件，若滿足則得到第一個IMF，若不滿足，則將l₁(t)視為新的原始信號繼續(xù)重復以上步驟。最后得到n個IMF與一個殘余分量r。

    在n個IMF中，為了獲取原始信號中的主要成分信號分量，將分量信號與原始信號的相關(guān)系數(shù)設為篩選參考量，當相關(guān)系數(shù)大于0.7時，可確定該IMF為原始信號主要成分，篩選閾值設為0.7。

    (2)進行Hilbert變換。對于信號x(t)，Hilbert變換定義為：

    對每一個IMF進行Hilbert變換，從而得到了信號的瞬時頻率。借助Hilbert變換，可得到x(t)的解析信號：

3.3.2 浮體傾角的提取

    L3GD20陀螺儀可以測得三個方向上的角加速度，對各方向上的角加速度積分即可得到該方向上的傾角度數(shù)。由于陀螺儀在輸出時，會存在數(shù)據(jù)漂移，如果直接對數(shù)據(jù)積分會造成偏移誤差越來越大，最后導致數(shù)據(jù)無法使用。因此，用卡爾曼濾波對數(shù)據(jù)進行處理^[7]，卡爾曼濾波實質(zhì)上是依據(jù)實測數(shù)據(jù)對隨機量進行最小二乘估計，可以對物體的實時運行狀態(tài)進行估計和預測。

3.4 軟件整體流程

    海洋波浪作為觀測對象，其頻率很低不會超過5 Hz，根據(jù)采樣定理，將三軸加速度傳感器的采樣頻率設定為10 Hz。采樣點數(shù)為2 048，采樣時間為3.5 min。將陀螺儀采樣頻率設為20 Hz。軟件整體流程如圖5所示。

4 實驗條件及結(jié)果

    為了較為準確地測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及準確性，將測試地點選為湖水面積為33 km²的東湖內(nèi)，湖面的波浪相比于海浪，沒有海風的作用、氣壓變化、地形因素等客觀條件影響，其波浪形成條件雖然不如海浪嚴苛和復雜，且波浪振幅和頻率均比海浪小。但是，兩者之間具有波浪的共性，均是由風產(chǎn)生的水面波動，均可視作由無限多個振幅不同、頻率不同、方向不同、相位雜亂的波組成，因此可以作為測試場地達到我們測量波浪頻率的目的。

    試驗現(xiàn)場平均波高為3~5 cm，頻率為1 Hz左右，但是由于試驗期間受到?jīng)_鋒舟的影響，致使波高有時達到10 cm左右，頻率降低到0.5 Hz左右。

    利用MATLAB對采集到的角度與線加速度進行分析，其角度曲線圖如6所示，經(jīng)過卡爾曼濾波之后的角加速度進行積分，不會再產(chǎn)生多大的漂移與誤差，效果良好，其波形近似正弦曲線，間接反映出良好的波浪震蕩特性。角度的大小可近似反應波浪振幅的強度，當角度震蕩越大，波浪振幅強度越強。

    由希爾伯特算法計算得到的頻率數(shù)據(jù)如表1所示，算法處理時間約為10 s，能夠很迅速地處理數(shù)據(jù)，分析得出波浪頻率，保證實時性。計算所得頻率與實際頻率相符，經(jīng)多次驗證，該算法能夠很好地從非平穩(wěn)非線性的隨機信號中，獲取信號主要成分，能夠保證數(shù)據(jù)輸出的可靠性。

    本文借助ARM及Linux開發(fā)平臺完成了對波浪頻率、溫度及氣壓的測量，實現(xiàn)了浮標的姿態(tài)及定位，通過GPRS網(wǎng)絡實時地將數(shù)據(jù)反饋到監(jiān)控中心，達到了遠程海浪數(shù)據(jù)監(jiān)測的目的。

    該設計具有良好的實時性、可靠性及準確性。其創(chuàng)新點在于將希爾伯特算法運用于加速度信號的分析當中，并且通過希爾伯特變換計算出了波浪的瞬時頻率，同時以Linux系統(tǒng)為平臺，具有很強的擴展性，方便波浪浮標采集系統(tǒng)的二次開發(fā)。

參考文獻

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