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海上无人值守传感器综合电源装置与壳体分析.pdf

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声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名 牡 列秽年/月罗日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文,按保密的有关规定和程序处理。研究生签名 杜 训f D年f月多日硕L论文 海.I二无人值守传感器综合电源装置及壳体研究1绪论1.1课题背景及研究意义本课题组研制的海上无人值守分布式无线传感器网络是针对进行实时海上目标探测以及区域防卫的应用为背景,以分布式无线传感器网络为技术手段,实现远程无人值守目标探测及信息传输。该课题涉及传感器技术、通信技术、计算机技术和电子技术,并且以海上承载平台及综合电源装置作为该系统的一个重要研究内容。我国具有3.2万千米长的海岸线,其中大陆海岸线长1.8万千米,岛屿海岸线长1.4万千米,尤其是东南沿海作为海洋开发、国土防卫、能源探测以及海洋科学研究都需要对海洋局部区域进行观察、探测、分析、监控,因此研究海上无人值守传感器网络是一项具有深远意义,并且应用前景广泛的一项课题。1.2无线传感器网络的体系结构1.2.1无线传感器网络的结构无线传感器网络的系统架构如图1.1所示【1】,通常包括传感器结点、汇聚结点和管理结点。典型的工作方式为大量的无线传感器网络结点布置在所需监测的区域内,这些传感器结点通过自组织方式快速的形成一个感知网络。在网络内,每个传感器结点即是信息的采集者和发送者,又是信息的传送结点,能实现路由功能。采集到的数据经处理后,以多跳中继的方式传递到汇聚结点,然后经过因特网、卫星或者移动通信网络等途径,到达最终用户所在的管理结点。图1.1典型的无线传感器网络结构1.2.2传感器网络结点的结构i绪论 硕十论文在不同的设计中,传感器网络结点的结构和功能不尽相同,一般的无线传感器网络结点结构如图1.2所利¨。该结点有数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源四大部分组成。具体的说,数据采集单元由传感器模块和模/数转换模块组成,传感器模块用于感知、获取所监测区域内的有用信息,模/数转换模块将这些信息转换为数字信号。数据处理单元是传感器网络结点的核心部分,负责整个结点的运行管理。在选择处理器时,首先应考虑系统对处理能力的要求,然后再考虑功耗问题。对于对处理能力要求不高的系统中,使用较多的是Atmel公司的单片机,能量消耗很小;对于需要处理图像等高数据量业务的系统中,经常采用以ARM处理器为代表的高端处理器。数据传输单元由无线通信模块和天线组成,它是传感器结点中最耗能的部分。电源单元是传感器结点不可或缺的部分,电源直接关系到传感器结点的寿命、体积、成本以及设计的复杂度。目前,传感器结点最常见的供电方式是电池供电【21。勘霪 I毫 I App。~H一卜I lVk NEl ◆ 贼 Data transfer unitData acquisition unit 飞IM锄凹 重VH c阿L伞 |P。roce.ss un卜it 伞l ll T lPower1.3课题的总体构想图1.2无线传感器网络节点的一般结构由于该课题针对海上无人值守传感器应用,因此对于海洋应用环境如抗风浪、抗腐蚀性、定位等方面提出了比较高的要求,因此,设计时需要对以上环境条件进行综合考虑,本文的总体构想框图如图1.3所示。无线传感器网路依托很多个传感器结点才能工作,每个传感器结点在海上工作,就必需一个如小船一样的装置来为传感器搭建一个承载平台,该承载平台结构应满足传感器结点结构的需求,能够使传感器结点及其附属设备合理的布置在平台上,并且能够正常工作。该平台应该能够稳定的漂浮在海平面上,不因设备的载重而下沉或被风浪打翻而导致传感器落入水中无法正常工作。该平台应该能够保证每个传感器结点在其指定的水域范围内工作,而不至于漂移很大位置,失去对目标的监控。该平台应该能够保证平台及平台上所有设备的防腐蚀及防水性能,使传感器能够稳定长期工作。2硕七论文 海上无人值守传感器综合电源装置及壳体研究考虑到传感器结点的应用范围,目前传感器结点的体积一般较小,大部分采用电池供电,电池的使用寿命有限,而同时要求结点的生存时间长达数月甚至数年,由于这些传感器结点通常工作在海上等环境恶劣且无人值守的地区,传感器结点数量也很庞大,分布区域广,所以更换电池变的非常困难,甚至不可能更换。传感器结点的能量供应成为传感器网络发挥效能的瓶颈,传感器结点的能量一旦耗尽,该传感器结点将会无法工作,这将会直接影响整个网络的生命周期和整体功能的实现。所以如何延长电池的使用寿命或者寻找新型可替代能源来最大化传感器网络生命周期,是我们必须考虑的问题。结合海面实际情况,本文的构想是用太阳能、风能等可再生能源替代电池为传感器结点提供持久的供电,所以本文还将对太阳能、风能等可再生能源供电展开详细研究。1.4本文的主要内容图1.3总体构想框图本课题组研制的海上无人值守分布式无线传感器网络,由很多小型的分布式传感器结点组成,在实际使用时,将大量的传感器结点布置在感兴趣的海域,各传感器结点自组网,通过自身携带的声音采集单元和图像采集单元将监测到的声音和图像信息采集下来,经ARM处理器处理后由无线通信单元发射给网络监控中心。传感器结点的声音和图像采集单元、数据处理单元、数据传输单元及监控软件由本课题组的其他同学完成。本31绪论 硕士论文文的主要的研究内容如下1第一章介绍了课题的背景及研究的意义,简单回顾了传感器网络及传感器结点的组成情况,然后对本论文的课题构想进行了讨论,本论文主要研究传感器结点的能源供应问题以及结点承载平台的结构。2第二章对传感器结点承载平台的结构、漂浮性、抗腐蚀性、防水性等的理论进行了研究,设计了一个符合传感器要求及海面工作情况的浮标式承载平台。3第三章介绍了太阳能光伏发电的原理,并对离网型太阳能光伏发电系统组成进行了深入研究,设计了一个独立太阳能光伏发电装置,并对装置的供电及蓄电情况进行了测试。4第四章介绍了风力发电原理,并对离网型小型风力发电系统组成进行了深入研究,设计了一个小型水平轴风力发电装置,并对风力机叶片按系统要求进行了详细的设计。5第五章介绍了其他海洋能发电技术,初步探讨了海洋能发电装置作为无人值守传感器电源的可能性,提出了两种结构适用于本传感器结点的波浪能发电装置结构。6对全文的研究内容进行总结,并对未来海上无人值守传感器结点的能量供应及结构设计进行了展望。4硕士论文 拇t无值守恃感嚣综台电源装置及壳体研究2海上无人值守传感器承载平台的研究海上无人值守传感器承载平台是传感器及其附属设备在海上的依托,平台在海上的作用类似于一艘没有动力装置的帆船,平台上主要放置小型传感器、太阳能光伏发电装置、风能发电装置及一些预留接口。下面对该平台的具体结构、各种设备在船上的布局、浮性、稳定性、摇摆性、抗腐蚀性展开研究。2.1承载平台的结构设计承载平台采用海上灯浮标式的结构,浮标体有柱形、船型、球形、圊盘形等备种样式吲,应根据不同的应用场合加以选择与设计,考虑到本承载平台的需求,本设计采用的浮体结构为圆柱形。浮体材料通常选用非磁性材料,海洋环境中经常采用不锈钢、铝合金、铜、玻璃钢等,浮体若采用全金属结构,建设成本会比较高,自身重量也较大,综合考虑,浮体外表面材料采用玻璃钢,玻璃钢的比重较小,密度为1 5“- 2.0。比钢轻3倍左右强度较高,比钢高1.7倍Ⅲ。覆们设计的传感嚣结点为--,J,型圆柱体,直径为8厘米,高度为16厘米,其底部有一螺孔将传感器结点固定在浮标体上表面的正中央,在浮标体上表面的外围对称放置4个小风车,风车之问夹角为90度,太阳能电池板以圆形方式从浮标体上表面的外围由外向内铺设。在承载平台底部的中心位置下安装一块稳定板,稳定板下端压载是以软铅浇注而成,压载的质量在考虑承载平台的漂浮性、稳性的情况下进行选取。该浮标式承载平台的结构图如图2 1所示。图21承载平台示意圈2海l无人值守传感器承载平台的研究 硕十论文2.2承载平台的浮性研究2.2.1承载平台在水中的漂浮条件承载平台正直地漂浮于水面,此时甲板平行于水线面,这种漂浮状态为正漂浮状态。一般海面比较平静的时候,承载平台才处于正浮状态,在海面有较大风浪时,平台还会处于横倾状态、纵倾状态、或任意状态。静止漂浮在水面上或浸没于水中的平台受到重力与浮力两个力的作用,平台所受重力是平台本身自重与平台上的传感器、太阳能发电装置、风力发电装置等设备的重力之和,其方向铅垂向下,记作尸,重力的作用点即为重心,记作伉平台所受浮力是由平台水下表面所受的水静压力提供的,由流体静力学可知平台水下表面受到物面法线方向、与距水面深度成正比的水静压力,这种水静压力的合力在铅垂方向上的分量即为平台所受浮力,浮力方向铅垂向上,记作a水静压力合力作用点即为浮力作用点,称作浮心,记作∥51。根据阿基米德原理,平台所受浮力等于平台排开水的重量,即QpgV 2.1其中P为水的质量密度砌3,g为重力加速度砒2,},为平台排水体积朋3。按工程中的习惯,Q常采取下式计算9pgV/gpV 2.2这时p的单位为r,如未说明,海水P的数值为1.025 t/m3,淡水P的数值取为1.0 t/m3。平台在水中的静平衡条件为1平台的重力P与浮力Q大小相等、方向相反。2平台的重心G与浮心C在同一条铅垂线上。2.2.2承载平台的浮性研究以浮体底部中心位置为原点0,建立直角坐标系,OX轴、oy轴平行于海平面,OZ轴垂直于海平面,铅垂向上,如图2.2所示。承载平台在正浮状态下的平衡方程为尸P g V 2.3石,石。 2.4YgY。 2·5在式2.3中,%为重心的x轴坐标,xc为浮心的X轴坐标,式2.4中,坛、雎分别为重心、浮心在y轴上的坐标。承载平台的重量是平台上所有设备的重量之和,平台的重心根据各项载荷重量、重心来计算得出。若各项载荷重量为P,,相应的重心坐标为∞批,zf,则平台的重量P、重心坐标磁兆忍可按下述各式求得6硕士论文 海t-无人值守传感器综合电源装置及壳体研究一尸∑Bk12.6一 坩 一 打 ” rl≮--ZA薯/∑B 以∑尼咒/∑B 乙∑B刁/∑见 2.7tl tl tl fl Il ,I平台的浮心与浮力是随平台的吃水情况变化而变化的,平台的浮力等于平台的重量排水量,与平台的体积排水量只相差一常数系数,故浮力与浮心计算中需要计算的是各水线下的体积与体积中一i[61。在本设计中,承载平台为圆盘形,平台上设备采用对称结构,所以重心与浮心在x轴与Y轴上的坐标均为零,即重心与浮心均在OZ轴上。不断调整压载的重量来选取平台的重心与浮心,考虑到平台的稳性,我们尽量将平台的重心降低,并提高平台的浮心。经过多次试验,我们选取的压载重量为5千克时,平台的重心在O.05米处,而浮心在O.12米处,此时平台具有良好的浮性与稳性。X图2.2承载平台坐标系承载平台必须在载重水线以上留有若干水密体积,以备在遇到大风大浪的特殊情况下,仍然具有一定的浮力而免于沉没,保持甲板上设备的正常工作性。该水密体积称为储备浮力,其大小与平台的不沉性、抗风浪性、大角稳性都有关系,是确保承载平台在海上安全性的重要指标,平台的浮力储量一般以正常排水量的百分数来表示,考虑到平台上设备的防水性,我们设计的平台浮力储备为100%[71。2.3承载平台的稳性及摇摆性研究承载平台受扰动后离开了原来的平衡位置,扰动消除后能自动回复到原来平衡位置的能力称为平台的稳性,决定稳性的主要因素是稳心,它是浮标正浮时与微倾后浮力作用线的交点。平台的稳性取决于浮标的尺寸、形状以及浮标上设备分布的情况。对于同一尺寸形状的浮标,稳性取决于浮标的重心、浮心与稳心之间的相互位置关系。承载平72海上无人值守传感器承载平台的研究 硕上论文台有三种平衡状态如图2.3所示若用外力使平台倾斜。在图中l的情况中,重力与浮力形成一个促使平台回复到原来正浮位置的力矩,平台是稳定平衡;在图中2的情况中,重力与浮力所形成的力矩促使平台继续倾斜,直至倾覆,是不稳定平衡;在图中3的情况中,重力与浮力恰好作用在同一垂线上,平台处于平衡状态,是中性平衡。图中2和3的情况在实际平台上是不允许出现的脚。t\、夕 j≮≯j‘ 州 一一2 3图2.3平台的三种稳定状态根据实际试验研究,要想使平台稳性比较好,采取的措施主要有二个尽量降低平台的重心、增加平台宽度。但宽度过大、重心过低的平台,重力与浮力作用线之间距离很大,因而形成的复原力矩也就很大,这样的平台在波涛汹涌的海面上左右摇摆频率较高,对设备运行不利。本设计采用的是圆盘形的浮标体,其水线面面积大,稳心的曲率半径也大,因此稳心很高,可得到比较大的初稳性高度和比较大的回复力矩。我们还在在平台底部中心位置加装一个稳定板,稳定板下用铅作为压载,铅的密度大,重力集中,浮标的浮力较大,也不把平台的重心降的过低,又可以使稳性更好。承载平台在风浪中遭受波浪力所产生的各种摇荡运动,称作平台的摇摆性。摇摆共有横摇、纵摇、首摇、垂荡、横荡、纵荡6种基本方式,其中横摇、纵摇、和垂荡三种形式最为显著,对于设备的运转以及平台强度都将产生不良影响。从平台角度出来,主要有以下三种减摇措施。第一,加装舭龙骨,它在平台横摇时产生与摇动方向相反的阻力,从而减小船舶的摇摆幅度。舭龙骨的长度一般为承载长度的1/3“-“2/3,宽度约为平台宽度的3~5%,面积约为水线面面积的2-4%。第二,加装减摇鳍,它装在两舷的舭部。平台摇动时,水流在翼翅上产生的力,对摇摆有阻尼作用。第三,采用减摇水舱,减摇水舱分主动式和被动式两种,它是由左右两舷两个分开的并有管子联通的水舱所组成。减摇水舱的减摇机理是平台横摇时减摇水舱内的水产生运动,在一定的扰动力周期范围内形成与横摇力矩反向的稳定力矩,这种方式目前采用较少[91。2.4承载平台的抗腐蚀性研究承载平台是由金属材料制成的,由于承载平台长期处于海洋环境中,海水对平台的腐蚀必将成为我们要面对的一大难题。海水及海洋大气对平台金属材料的腐蚀要比陆地上严重的多,若不采取行之有效的防护措施,将加快其腐蚀速度,降低平台结构的强度,8硕}论文 海J无人值守传感器综合电源装置及壳体研究当平台被腐蚀到一定程度时,平台的强度会下降到不足以抵御海洋风浪的巨大冲击,最终覆灭在大海中。平台金属材料的腐蚀是不可避免的,但其腐蚀的速度却是可以控制的,降低平台的腐蚀速度就可以延长平台的使用寿命,由此可见,控制平台的腐蚀是一项十分重要的任务。2.4.1海洋腐蚀环境及承载平台腐蚀原理海水是自然界中量最大、腐蚀性较强的一种天然电解质溶液,是一种含盐量相当大的腐蚀性介质,表层海水含盐量一般在3.20%到3.75%之间,海水盐度变化量是不大的,对腐蚀过程几乎不产生影响。海水不仅含盐量高,而且所含盐量几乎全部处于电离状态,所以海水是一种导电性很强的溶液,海水的平均电导率约为4x10‘2剐册,电导率越高,腐蚀越大。海水的朋值通常在8.1N8.3之间,一般来说,脯升高,有利于抑制海水对钢铁的腐蚀,海水的尹疗值主要影响钙质水垢沉积,从而影响到海水的腐蚀性。海水中的氧含量是海水腐蚀的主要影响因素,海水中含氧量越高,腐蚀越严重,由于海水表面与空气接触,所以海水表层中有充足的氧含量。海水的温度随着空间、时间上的差异会在一个比较大的动态范围内变化,温度对腐蚀的影响是比较复杂的。比如,海水温度升高,海水中氧的扩散速度会加快,海水电导率也会增大,这将加速腐蚀进程,但另一方面,海水温度升高会使海水中氧的溶解度降低,同时促进保护性钙质水垢生成,这又会减缓海水的腐蚀。海水流速和波浪由于改变了供氧条件,对海水腐蚀也会产生重要影响。海洋环境中存在着各种各样的生物,海洋生物的生命活动会改变金属一海水的界面状态和介质的性质,对海水腐蚀的影响也不可忽略【lol。承载平台的腐蚀主要是平台金属材料的腐蚀,金属腐蚀就是金属与周围的介质发生了化学或电化学反应之后,形成了金属的化合物,使金属失去了原来的固有属性,造成了金属的破坏。根据腐蚀过程的机理,承载平台材料的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。化学腐蚀是由金属表面与介质发生化学作用而引起的,在作用过程中没有电流产生,金属本身的化学亲和力决定金属发生化学腐蚀的难易程度,化学腐蚀一般分为气体腐蚀和金属在非电解质溶液中的腐蚀两种。金属表面与介质发生电化学作用而引起的腐蚀称为电化学腐蚀。承载平台处于海洋环境中,海水是天然的电解质溶液,承载平台材料主要发生的就是电化学腐蚀【¨】。承载平台金属表面浸入海水中,由于金属表面的电化学性不均匀,产生了许多极微小的阴极和阳极,形成了无数腐蚀微电池,其中铁元素由于电位较负,活性较好,处于阳极状态,铁元素不断放出电子,在海水中成为正离子,发生铁的氧化反应RFe22e一 2.8而其他杂质电极电位较高,形成阴极区,发生氧的还原反应D2十2必O4e一40H’ 2.99
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