基于波浪能的海洋牧場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張學(xué)俊　顧沈明

摘 要：針對目前東海沿岸地區(qū)海洋牧場建設(shè)過程中的傳統(tǒng)、落后、低效、信息化程度低等問題，從物聯(lián)網(wǎng)搭建、設(shè)備供電、信息平臺設(shè)計(jì)三方面入手，提出了一種基于波浪能的海洋牧場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案結(jié)合了當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖環(huán)境和養(yǎng)殖方式的特點(diǎn)，具備較強(qiáng)的可復(fù)制性，希望能在一定程度上推動(dòng)傳統(tǒng)海洋牧場向數(shù)字化、信息化、智能化發(fā)展，提升海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)水平，促進(jìn)東海沿岸地區(qū)的漁業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);波浪能;海洋牧場;環(huán)境監(jiān)測;GPRS;ZigBee

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2020）03-00-03

0 引 言

隨著東海漁業(yè)資源的持續(xù)衰退，加快漁業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，促進(jìn)近海海洋資源的可持續(xù)發(fā)展迫在眉睫。海水養(yǎng)殖作為海洋捕撈一個(gè)很好的補(bǔ)充，具有可持續(xù)規(guī)?；l(fā)展的可能性，而且對于東海漁業(yè)資源和漁業(yè)生態(tài)的破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于海洋捕撈。所以，東海沿海很多省市一直以來都大力推動(dòng)海水養(yǎng)殖的發(fā)展和海洋牧場的建設(shè)，以舟山市為例，全市一度擁有15.75萬畝海洋牧場。

目前，全世界范圍內(nèi)己有l(wèi)15個(gè)以上品種的現(xiàn)代化海洋牧場，遍布于20多個(gè)國家。以美國、日本、挪威為首的發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)地應(yīng)用到海洋牧場的生產(chǎn)周期管理中，極大地降低了海洋牧場的運(yùn)營成本，提高了生產(chǎn)效率。而長期以來，東海近海的海水養(yǎng)殖主要采取較為粗獷的養(yǎng)殖方式，依據(jù)養(yǎng)殖人員的經(jīng)驗(yàn)來決定養(yǎng)殖周期，缺乏養(yǎng)殖海域具體環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)作為支撐，出現(xiàn)了一部分不科學(xué)、不合理的管理操作，造成養(yǎng)殖品種收貨成色、單體大小和總體收獲量的參差不齊，甚至大批量絕收死亡，對養(yǎng)殖戶造成巨大損失。粗獷的養(yǎng)殖模式使養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大不得不花費(fèi)大量人力來管理，在加快養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)化過程中總是以高消耗換取成效，這與海水養(yǎng)殖綠色生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)背道而馳。所以科學(xué)合理的現(xiàn)代化海水養(yǎng)殖發(fā)展模式顯得更加重要，利用各種環(huán)境參數(shù)傳感器收集海洋牧場中的環(huán)境數(shù)據(jù)，并依托監(jiān)測平臺進(jìn)行及時(shí)、專業(yè)、有效地分析和處理將是一個(gè)很好的切入點(diǎn)。

1 海洋牧場物聯(lián)網(wǎng)搭建的總體方案

海洋牧場的離岸特點(diǎn)決定了無法利用WiFi接入互聯(lián)網(wǎng)，所以擬采用以下拓?fù)湓O(shè)計(jì)來解決物聯(lián)網(wǎng)搭建和數(shù)據(jù)傳送問題：

（1）感知層選擇溶氧、溫度、流速、光照指數(shù)等傳感器進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的獲取;

（2）網(wǎng)絡(luò)層采用系統(tǒng)內(nèi)部ZigBee自組網(wǎng)，系統(tǒng)外部GPRS接入互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

（3）應(yīng)用層設(shè)計(jì)一套上位機(jī)軟件，作為數(shù)據(jù)的顯示和存儲中心。

海洋牧場物聯(lián)網(wǎng)總體拓?fù)鋱D如圖1所示。

海洋牧場物聯(lián)網(wǎng)終端包括ZigBee模塊、傳感器模塊、主控制模塊等。ZigBee作為一種無線組網(wǎng)通信技術(shù)具有功率消耗低、工作頻段靈活、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大以及自組織能力強(qiáng)等優(yōu)勢，但也有低速率和近距離的劣勢，所以采用GPRS與ZigBee遠(yuǎn)近結(jié)合的無線通信方式既可以降低成本，又可以避免采用傳統(tǒng)有線通信的弊端，使系統(tǒng)更易于維護(hù)。傳感器模塊包括光照傳感器、水溫傳感器、溶解氧傳感器、流速傳感器等，可檢測海水溫度、溶解氧、海水流速和海水深度（光照）等多種海洋牧場周圍的水質(zhì)參數(shù)。傳感器模塊通過通信接口把采集的參數(shù)信息傳送到主控制模塊，然后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將參數(shù)信息傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)測平臺，再通過GPRS技術(shù)將壓縮后的參數(shù)信息傳送到陸地服務(wù)器。

2 傳感通信設(shè)備的供電方案

放置參數(shù)采集設(shè)備的海洋牧場往往離岸200～500 m以外，處于海面10～20 m以下的淺海區(qū)域，無法利用陸地市電供電，同時(shí)自身配備的電池容量有限，更換電池效率低且難度大，所以電量耗盡后的傳感器往往會(huì)被遺棄，既浪費(fèi)資源，也給養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖群眾增加了經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)被遺棄的傳感器經(jīng)過長時(shí)間的海水腐蝕，變成海洋污染物，嚴(yán)重威脅海洋牧場中的生態(tài)平衡。

文獻(xiàn)[1]研究表明：東海近海海域波浪能資源十分豐富，以舟山群島島鏈以東海域?yàn)槔?，舟山三大海洋牧場分布海域有效波浪能均達(dá)到了50%以上，年均波浪能功率密度可達(dá)5～6 kW/m，完全具備利用波浪能進(jìn)行離岸自供電的條件，從而解決傳感通信等電子設(shè)備的供電問題，延長設(shè)備的工作時(shí)間，提高數(shù)據(jù)采集的效率和持續(xù)性。舟山主要海洋牧場分布海域有效波浪能占比見表1所列。

2.1 波浪能隨體自充電裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

波浪能隨體自充電裝置主要利用陀螺的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)，通過軸承使陀螺轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)軸方向高速旋轉(zhuǎn)，然后傳動(dòng)帶將陀螺轉(zhuǎn)子處輸出的旋轉(zhuǎn)力矩傳遞至能量轉(zhuǎn)換裝置處。再通過發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)的電能，并通過后續(xù)電路整流、濾波、穩(wěn)壓，將不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換為可為蓄電池充電的能量，為海洋牧場中的傳感通信設(shè)備等持續(xù)供電。而且相比風(fēng)能和太陽能發(fā)電裝置，波浪能隨體自充電裝置的核心組件整體結(jié)構(gòu)可密閉在殼體之內(nèi)，具備良好的抗海水腐蝕能力。波浪能隨體自充電裝置總體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

2.2 波浪能隨體自充電裝置能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

波浪能隨體自充電裝置功能機(jī)構(gòu)如圖3所示，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)分為機(jī)械部分和電控部分。機(jī)械部分主要包括陀螺轉(zhuǎn)子、電機(jī)轉(zhuǎn)子、電機(jī)定子、傳動(dòng)帶、棘輪裝置、變速器和發(fā)電機(jī)等;電控部分主要包括電源模塊、主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、整流濾波穩(wěn)壓模塊、轉(zhuǎn)換模塊等。

其中棘輪裝置的主要作用是當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子帶動(dòng)搖桿逆時(shí)針擺動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)棘爪插入棘輪的齒槽中，推動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，此時(shí)止動(dòng)爪在棘輪的齒背上滑動(dòng)，反之陀螺轉(zhuǎn)子帶動(dòng)搖桿順時(shí)針擺動(dòng)時(shí)，止動(dòng)爪阻止棘輪沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)棘爪卻能夠在棘輪齒背上滑過，故棘輪靜止不動(dòng)[2]。由于陀螺效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生兩種方向相反的旋轉(zhuǎn)力矩，通過棘輪裝置可以將兩種方向相反的力矩轉(zhuǎn)換為單向力矩。基于此，當(dāng)搖桿做連續(xù)的往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，棘輪便做單向的間歇運(yùn)動(dòng)。

發(fā)電機(jī)可以將棘輪裝置產(chǎn)生的單向間歇運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的電能，然后通過整流濾波穩(wěn)壓模塊將不穩(wěn)定的電能輸出為平穩(wěn)的電能，最終傳遞至蓄電池中，當(dāng)傳感通信設(shè)備電源不足時(shí)再將儲存的電能輸出，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自供電，有效延長系統(tǒng)的工作時(shí)間，提高數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)炔僮鞯目沙掷m(xù)性。

2.3 陀螺轉(zhuǎn)子速率控制改良

為了將不穩(wěn)定的波浪動(dòng)能轉(zhuǎn)化為可穩(wěn)定輸出的電能并進(jìn)行儲存，轉(zhuǎn)子速率控制模塊、電源模塊和整流濾波穩(wěn)壓模塊需要進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。陀螺轉(zhuǎn)子速率控制系統(tǒng)原理如圖4所示，通過在陀螺轉(zhuǎn)子處設(shè)置可實(shí)時(shí)測量角度的光電碼盤作為反饋元件獲得陀螺轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速率引入轉(zhuǎn)子輸出力矩積分反饋，并在反饋環(huán)內(nèi)加入陀螺轉(zhuǎn)子存在的摩擦力矩干擾，構(gòu)成系統(tǒng)的閉環(huán)控制回路，一定程度上抑制陀螺轉(zhuǎn)子和電機(jī)帶來的內(nèi)部干擾。陀螺轉(zhuǎn)子速率控制系統(tǒng)利用數(shù)字伺服回路原理，并輔以控制器的數(shù)字處理能力，來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制策略和算法，然后通過驅(qū)動(dòng)器控制直流電機(jī)，補(bǔ)充軸承摩擦的損失和風(fēng)阻，解決了傳統(tǒng)的基于電流控制轉(zhuǎn)子速率精度不高的問題，從而大幅提高了系統(tǒng)的控制性能和精度。

3 海洋牧場環(huán)境監(jiān)測信息管理平臺設(shè)計(jì)

目前東海沿岸漁村鄉(xiāng)鎮(zhèn)總體信息化建設(shè)水平較低，且海洋牧場養(yǎng)殖人員文化程度也比較低，需要將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析之后，通過簡潔明了的界面，將分析結(jié)果以實(shí)用數(shù)據(jù)對比和指導(dǎo)性建議的方式呈現(xiàn)。因此，相對于傳統(tǒng)的基于Web的PC端環(huán)境監(jiān)測平臺來說，基于Android智能手機(jī)的APP客戶端更具有簡潔明了、交互方式友好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，對于工作在海洋牧場一線的養(yǎng)殖人員來說，智能手機(jī)的攜帶和使用相比電腦更方便，有效保證了養(yǎng)殖信息查詢和修改的時(shí)效性和便捷性。

海洋牧場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。基于Android的海洋牧場環(huán)境監(jiān)測信息管理平臺主要包括基本信息管理、參數(shù)診斷管理、參數(shù)查詢管理、平臺管理和平臺介紹等五大模塊。

基本信息管理模塊下轄養(yǎng)殖信息、參數(shù)種類信息、牧場信息、參數(shù)采集設(shè)備信息四個(gè)子模塊，方便用戶從多個(gè)角度了解海洋牧場養(yǎng)殖環(huán)境的整體狀態(tài)。例如養(yǎng)殖品種、起始時(shí)間、預(yù)計(jì)收獲時(shí)間，參數(shù)名稱、參數(shù)類別、參數(shù)簡介，牧場類型、位置、面積、編號、歸屬人，采集設(shè)備名稱、持續(xù)工作時(shí)間、剩余電量等。

參數(shù)診斷管理模塊主要通過平臺預(yù)設(shè)的各參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間與傳感器采集的反饋值進(jìn)行比對，當(dāng)反饋值超標(biāo)時(shí)向養(yǎng)殖人員輸出警告信息，同時(shí)抄送后臺存檔。

參數(shù)查詢管理模塊將牧場各參數(shù)反饋值進(jìn)行匯總，并形成以監(jiān)測點(diǎn)為單位的參數(shù)長期變化曲線，以便養(yǎng)殖人員判斷參數(shù)變化趨勢，及時(shí)調(diào)整養(yǎng)殖操作，避免不必要的損失。

平臺管理和平臺介紹模塊主要是對用戶信息的管理和平臺的簡要介紹，引導(dǎo)用戶快速熟悉平臺界面和操作要點(diǎn)。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于波浪能的海洋牧場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案具備較強(qiáng)的遷移復(fù)制能力。采用GPRS與ZigBee遠(yuǎn)近結(jié)合的無線通信方式的物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠很好地適應(yīng)深水網(wǎng)箱、養(yǎng)殖桁地、陸基圍塘等多種不同形式的海洋牧場;通過陀螺儀轉(zhuǎn)化波浪能的隨體自充電裝置，解決了傳感通信設(shè)備的持續(xù)供電問題，有效延長了設(shè)備的工作時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)采集的效率和持續(xù)性;基于Android的海洋牧場環(huán)境監(jiān)測信息管理平臺可以根據(jù)不同養(yǎng)殖品種的特點(diǎn)進(jìn)行功能模塊的調(diào)整，對大黃魚、軍曹魚、厚殼貽貝、南美對蝦等的養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)變化進(jìn)行分類儲存和綜合分析。

同時(shí)，通過漁政相關(guān)部門和養(yǎng)殖研究人員的合作，將采集的數(shù)據(jù)按照區(qū)域、時(shí)間、變化幅度等方式進(jìn)行存儲、歸類和比對，結(jié)合多區(qū)域多年份的數(shù)據(jù)對比，可以對養(yǎng)殖人員擴(kuò)大各海洋牧場規(guī)模時(shí)的選址、成本控制、投入產(chǎn)出預(yù)計(jì)、降低人力配比率方面提供數(shù)據(jù)支持。一定程度上改變當(dāng)前形勢下東海沿岸海洋牧場建設(shè)過程中的傳統(tǒng)、落后、低效、信息化程度低等問題，促進(jìn)這些地區(qū)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。

注：本文通訊作者為顧沈明。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王綠卿，馮衛(wèi)兵，唐筱寧.我國沿海省份的波能特征[J].可再生能源，2013，31（11）：126-131.

[2]黃淳爍，陳瑜輝，陳建中.多功能R型彈簧銷扳手研制[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016（26）：1368-1369.

[3]屈辰，陶然，李剛.基于環(huán)境能量自供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018， 15（26）：131-133.

[4]呂麗萍.基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)控開發(fā)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2017（8）：142-144.

[5]孔祥洪，郭陽雪，楊渭，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的近海環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用， 2012（12）：30-32.

[6]徐秀英，譚暉，王博亮，等.近海養(yǎng)殖環(huán)境自動(dòng)檢測系統(tǒng)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，44（z1）：107-110.

[7]顧金燕.深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].舟山：浙江海洋大學(xué)，2017.

[8]于杰，陳丕茂，秦傳新，等.基于GeoServer的WebGIS在海洋牧場可持續(xù)管理中的應(yīng)用[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015（9）：163-168.

[9]李春雷.海洋牧場信息管理系統(tǒng)數(shù)字化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013（20）：46-47.

[10]王德宇. 海洋牧場智能監(jiān)測與對象識別的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2018.