基于波浪能的海洋牧场环境监测系统设计
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摘 要：针对目前东海沿岸地区海洋牧场建设过程中的传统、落后、低效、信息化程度低等问题，从物联网搭建、设备供电、信息平台设计三方面入手，提出了一种基于波浪能的海洋牧场环境监测系统的设计方案。该方案结合了当地养殖环境和养殖方式的特点，具备较强的可复制性，希望能在一定程度上推动传统海洋牧场向数字化、信息化、智能化发展，提升海水养殖产业水平，促进东海沿岸地区的渔业产业转型升级。
关键词：物联网;波浪能;海洋牧场;环境监测;GPRS;ZigBee
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）03-00-03
0 引 言
随着东海渔业资源的持续衰退，加快渔业产业转型升级，促进近海海洋资源的可持续发展迫在眉睫。海水养殖作为海洋捕捞一个很好的补充，具有可持续规模化发展的可能性，而且对于东海渔业资源和渔业生态的破坏远远小于海洋捕捞。所以，东海沿海很多省市一直以来都大力推动海水养殖的发展和海洋牧场的建设，以舟山市为例，全市一度拥有15.75万亩海洋牧场。
目前，全世界范围内己有l15个以上品种的现代化海洋牧场，遍布于20多个国家。以美国、日本、挪威为首的发达国家已经将物联网技术系统地应用到海洋牧场的生产周期管理中，极大地降低了海洋牧场的运营成本，提高了生产效率。而长期以来，东海近海的海水养殖主要采取较为粗犷的养殖方式，依据养殖人员的经验来决定养殖周期，缺乏养殖海域具体环境的相关数据作为支撑，出现了一部分不科学、不合理的管理操作，造成养殖品种收货成色、单体大小和总体收获量的参差不齐，甚至大批量绝收死亡，对养殖户造成巨大损失。粗犷的养殖模式使养殖规模的扩大不得不花费大量人力来管理，在加快养殖产业化过程中总是以高消耗换取成效，这与海水养殖绿色生态可持续发展的特点背道而驰。所以科学合理的现代化海水养殖发展模式显得更加重要，利用各种环境参数传感器收集海洋牧场中的环境数据，并依托监测平台进行及时、专业、有效地分析和处理将是一个很好的切入点。
1 海洋牧场物联网搭建的总体方案
海洋牧场的离岸特点决定了无法利用WiFi接入互联网，所以拟采用以下拓扑设计来解决物联网搭建和数据传送问题：
（1）感知层选择溶氧、温度、流速、光照指数等传感器进行环境参数的获取;
（2）网络层采用系统内部ZigBee自组网，系统外部GPRS接入互联网的拓扑结构;
（3）应用层设计一套上位机软件，作为数据的显示和存储中心。
海洋牧场物联网总体拓扑图如图1所示。
海洋牧场物联网终端包括ZigBee模块、传感器模块、主控制模块等。ZigBee作为一种无线组网通信技术具有功率消耗低、工作频段灵活、时延短、网络容量大以及自组织能力强等优势，但也有低速率和近距离的劣势，所以采用GPRS与ZigBee远近结合的无线通信方式既可以降低成本，又可以避免采用传统有线通信的弊端，使系统更易于维护。传感器模块包括光照传感器、水温传感器、溶解氧传感器、流速传感器等，可检测海水温度、溶解氧、海水流速和海水深度（光照）等多种海洋牧场周围的水质参数。传感器模块通过通信接口把采集的参数信息传送到主控制模块，然后通过ZigBee网络将参数信息传输到环境监测平台，再通过GPRS技术将压缩后的参数信息传送到陆地服务器。
2 传感通信设备的供电方案
放置参数采集设备的海洋牧场往往离岸200～500 m以外，处于海面10～20 m以下的浅海区域，无法利用陆地市电供电，同时自身配备的电池容量有限，更换电池效率低且难度大，所以电量耗尽后的传感器往往会被遗弃，既浪费资源，也给养殖企业和养殖群众增加了经济成本，同时被遗弃的传感器经过长时间的海水腐蚀，变成海洋污染物，严重威胁海洋牧场中的生态平衡。
文献[1]研究表明：东海近海海域波浪能资源十分丰富，以舟山群岛岛链以东海域为例，舟山三大海洋牧场分布海域有效波浪能均达到了50%以上，年均波浪能功率密度可达5～6 kW/m，完全具备利用波浪能进行离岸自供电的条件，从而解决传感通信等电子设备的供电问题，延长设备的工作时间，提高数据采集的效率和持续性。舟山主要海洋牧场分布海域有效波浪能占比见表1所列。
2.1 波浪能随体自充电装置总体结构设计
波浪能随体自充电装置主要利用陀螺的进动效应，通过轴承使陀螺转子在转轴方向高速旋转，然后传动带将陀螺转子处输出的旋转力矩传递至能量转换装置处。再通过发电机将旋转力矩产生的机械能转换为发电机的电能，并通过后续电路整流、滤波、稳压，将不稳定的电能转换为可为蓄电池充电的能量，为海洋牧場中的传感通信设备等持续供电。而且相比风能和太阳能发电装置，波浪能随体自充电装置的核心组件整体结构可密闭在壳体之内，具备良好的抗海水腐蚀能力。波浪能随体自充电装置总体结构示意如图2所示。
2.2 波浪能随体自充电装置能量转换系统
波浪能随体自充电装置功能机构如图3所示，能量转换系统分为机械部分和电控部分。机械部分主要包括陀螺转子、电机转子、电机定子、传动带、棘轮装置、变速器和发电机等;电控部分主要包括电源模块、主控模块、电机驱动模块、整流滤波稳压模块、转换模块等。
其中棘轮装置的主要作用是当陀螺转子带动摇杆逆时针摆动时，驱动棘爪插入棘轮的齿槽中，推动棘轮转过一个角度，此时止动爪在棘轮的齿背上滑动，反之陀螺转子带动摇杆顺时针摆动时，止动爪阻止棘轮沿顺时针方向转动，而驱动棘爪却能够在棘轮齿背上滑过，故棘轮静止不动[2]。由于陀螺效应会产生两种方向相反的旋转力矩，通过棘轮装置可以将两种方向相反的力矩转换为单向力矩。基于此，当摇杆做连续的往复摆动时，棘轮便做单向的间歇运动。
发电机可以将棘轮装置产生的单向间歇运动的动能转化为不稳定的电能，然后通过整流滤波稳压模块将不稳定的电能输出为平稳的电能，最终传递至蓄电池中，当传感通信设备电源不足时再将储存的电能输出，从而实现系统的自供电，有效延长系统的工作时间，提高数据采集传输等操作的可持续性。 2.3 陀螺转子速率控制改良
为了将不稳定的波浪动能转化为可稳定输出的电能并进行储存，转子速率控制模块、电源模块和整流滤波稳压模块需要进行协调工作。陀螺转子速率控制系统原理如图4所示，通过在陀螺转子处设置可实时测量角度的光电码盘作为反馈元件获得陀螺转子的旋转速率引入转子输出力矩积分反馈，并在反馈环内加入陀螺转子存在的摩擦力矩干扰，构成系统的闭环控制回路，一定程度上抑制陀螺转子和电机带来的内部干扰。陀螺转子速率控制系统利用数字伺服回路原理，并辅以控制器的数字处理能力，来实现相应的控制策略和算法，然后通过驱动器控制直流电机，补充轴承摩擦的损失和风阻，解决了传统的基于电流控制转子速率精度不高的问题，从而大幅提高了系统的控制性能和精度。
3 海洋牧场环境监测信息管理平台设计
目前东海沿岸渔村乡镇总体信息化建设水平较低，且海洋牧场养殖人员文化程度也比较低，需要将采集的数据进行综合分析之后，通过简洁明了的界面，将分析结果以实用数据对比和指导性建议的方式呈现。因此，相对于传统的基于Web的PC端环境监测平台来说，基于Android智能手机的APP客户端更具有简洁明了、交互方式友好等优点。同时，对于工作在海洋牧场一线的养殖人员来说，智能手机的携带和使用相比电脑更方便，有效保证了养殖信息查询和修改的时效性和便捷性。
海洋牧场环境监测系统整体功能结构如图5所示。基于Android的海洋牧场环境监测信息管理平台主要包括基本信息管理、参数诊断管理、参数查询管理、平台管理和平台介绍等五大模块。
基本信息管理模块下辖养殖信息、参数种类信息、牧场信息、参数采集设备信息四个子模块，方便用户从多个角度了解海洋牧场养殖环境的整体状态。例如养殖品种、起始时间、预计收获时间，参数名称、参数类别、参数简介，牧场类型、位置、面积、编号、归属人，采集设备名称、持续工作时间、剩余电量等。
参数诊断管理模块主要通过平台预设的各参数标准值区间与传感器采集的反馈值进行比对，当反馈值超标时向养殖人员输出警告信息，同时抄送后台存档。
参数查询管理模块将牧场各参数反馈值进行汇总，并形成以监测点为单位的参数长期变化曲线，以便养殖人员判断参数变化趋势，及时调整养殖操作，避免不必要的损失。
平台管理和平台介绍模块主要是对用户信息的管理和平台的简要介绍，引导用户快速熟悉平台界面和操作要点。
4 结 语
本文提出了一种基于波浪能的海洋牧场环境监测系统的设计方案，该方案具备较强的迁移复制能力。采用GPRS与ZigBee远近结合的无线通信方式的物联网拓扑结构能够很好地适应深水网箱、养殖桁地、陆基围塘等多种不同形式的海洋牧场;通过陀螺仪转化波浪能的随体自充电装置，解决了传感通信设备的持续供电问题，有效延长了设备的工作时间，提高了数据采集的效率和持续性;基于Android的海洋牧场环境监测信息管理平台可以根据不同养殖品种的特点进行功能模块的调整，对大黄鱼、军曹鱼、厚壳贻贝、南美对虾等的养殖环境参数变化进行分类储存和综合分析。
同时，通过渔政相关部门和养殖研究人员的合作，将采集的数据按照区域、时间、变化幅度等方式进行存储、归类和比对，结合多区域多年份的数据对比，可以对养殖人员扩大各海洋牧场规模时的选址、成本控制、投入产出预计、降低人力配比率方面提供数据支持。一定程度上改变当前形势下东海沿岸海洋牧场建设过程中的传统、落后、低效、信息化程度低等问题，促进这些地区的产业转型。
注：本文通讯作者为顾沈明。
参 考 文 献
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