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(tái)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)模化發(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(tái)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(chǔ)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(tái)，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(chǔ)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(chǔ)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(tái)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(tái)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?；贏ndroid的海洋牧場環(huán)境監(jiān)測信息管理平臺(tái)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(tái)管理和平臺(tái)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(tái)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(tái)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(tái)管理和平臺(tái)介紹模塊主要是對用戶信息的管理和平臺(tái)的簡要介紹，引導(dǎo)用戶快速熟悉平臺(tái)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(tái)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(chǔ)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(chǔ)、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.