隨著全球經(jīng)濟(jì)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(shè)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(jìn)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(zhǔn)確可靠,。
本文設(shè)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(qiáng)的可移植性與擴(kuò)展性。通過加速度傳感器采集浮標(biāo)的加速度,，對此信號采取EMD處理,，并對分解之后的IMF進(jìn)行閾值篩選，獲得有效分量,，然后對該分量進(jìn)行希爾伯特黃變換,，從而準(zhǔn)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(zhǔn)確方位以及姿態(tài)。通信網(wǎng)絡(luò)采用GPRS網(wǎng)絡(luò),，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(biāo),。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(luò)使手機(jī)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(shè)計
2.1 S5PV210處理器
S5PV210是三星公司推出的高性能應(yīng)用處理器，采用了Cortex-A8內(nèi)核,，運行主頻可達(dá)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(dá)1 mg,，完全滿足設(shè)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(dá)±0.015°/s。該芯片采用I2C總線方式與處理器進(jìn)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(dá)10 m以內(nèi),通過串口與處理器進(jìn)行通訊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)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(shè)計中利用SIM卡通過聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shè)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(yīng)用程序,。本設(shè)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(fù)雜,，不易移植,，且編寫應(yīng)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(shè)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(jìn)行操作，配置寄存器I2CCON,、I2CSTAT,設(shè)置其工作方式為主機(jī)模式,，使能I2C中斷，設(shè)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(yīng)用程序，設(shè)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(luò)傳輸方式實現(xiàn)現(xiàn)場和岸邊通信。
對于GPRS網(wǎng)絡(luò)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(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)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(jī)程序需要進(jìn)行socket網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行初始化,，配置串口參數(shù),，其次，對GSM模塊設(shè)置AT指令,，主要用到的指令有AT+CGDCONT=1,，“IP”，“CMNET”接入網(wǎng)絡(luò),；AT+TCPSERV設(shè)置上位機(jī)IP地址,，AT+TCPPORT配置上位機(jī)監(jiān)聽端口設(shè)置。然后,，通過AT+CONNETCIONSTART請求建立網(wǎng)絡(luò)連接,，再通過AT+OTCP登陸網(wǎng)絡(luò)，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(luò),，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(jī)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(jìn)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(jìn)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(luò)線與極小值點確定的包絡(luò)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(luò)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(fù)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(shè)為篩選參考量，當(dāng)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(shè)為0.7。
(2)進(jìn)行Hilbert變換,。對于信號x(t),，Hilbert變換定義為：
對每一個IMF進(jìn)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(dǎo)致數(shù)據(jù)無法使用,。因此，用卡爾曼濾波對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)量進(jìn)行最小二乘估計,，可以對物體的實時運行狀態(tài)進(jìn)行估計和預(yù)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(shè)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(shè)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(zhǔn)確地測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)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(fēng)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(yán)苛和復(fù)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(fēng)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(dá)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(yīng)波浪振幅的強(qiáng)度，當(dāng)角度震蕩越大,，波浪振幅強(qiáng)度越強(qiáng),。
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(jī)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(biāo)的姿態(tài)及定位,，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實時地將數(shù)據(jù)反饋到監(jiān)控中心，達(dá)到了遠(yuǎn)程海浪數(shù)據(jù)監(jiān)測的目的,。
該設(shè)計具有良好的實時性,、可靠性及準(zhǔn)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(dāng)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(qiáng)的擴(kuò)展性,，方便波浪浮標(biāo)采集系統(tǒng)的二次開發(fā)。
參考文獻(xiàn)
[1] 蔡元奇.共振波力發(fā)電裝置：中國,，CN201110233308.7[P].2011-08-16.
[2] 蔡元奇.共振波力發(fā)電裝置：中國,，CN201120295878.4[P].2011-08-16.
[3] 文圣常.海浪理論與計算原理[M]，北京：科學(xué)出版社,，1984.
[4] 劉國棟.波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)處理方法研究[D].天津：天津大學(xué),，2011.
[5] 徐海林.基于ARM-Linux的IIC串行通信[J].微處理器與可編程控制器，2013(20)：85-86.
[6] 賈瑋.基于DSP的EMD算法實現(xiàn)[D].太原：中北大學(xué),，2009.
[7] 張杰.基于MEMS陀螺儀和加速度計的動態(tài)傾角傳感器[J].2012(9)：141-142.