王世明,王家之,李澤宇,李淼淼

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

0 引 言

海洋漁業(yè)的發(fā)展對國家經(jīng)濟與社會發(fā)展具有重要的意義．從20世紀至今,我國海洋漁業(yè)發(fā)展迅速,海洋漁業(yè)總產(chǎn)值在不斷增長．隨著科技的進步,海洋漁業(yè)也朝著現(xiàn)代化、科技化的方向發(fā)展[1]．

網(wǎng)箱養(yǎng)殖是海洋漁業(yè)一種較為普遍的模式．海上波浪對網(wǎng)箱養(yǎng)殖具有很大的破壞力[2],傳統(tǒng)的解決措施是加固網(wǎng)箱或是在網(wǎng)箱外圍加筑消波堤．加固網(wǎng)箱一定程度上會對網(wǎng)箱成本造成影響,加筑傳統(tǒng)消波堤則會影響海水流動,阻礙網(wǎng)箱內(nèi)海水與海洋之間的交換,改變了網(wǎng)箱的區(qū)域生態(tài),會對網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)生一定的負面影響[3]．漁業(yè)智能設(shè)備如投餌機等的出現(xiàn)便利了網(wǎng)箱養(yǎng)殖,但設(shè)備的供電問題一直是難題．

基于上述問題,設(shè)計了一種浮式自供電消波堤,浮動地分布在網(wǎng)箱周圍,在抵抗波浪的同時,也不影響海水循環(huán),同時還可以發(fā)電,為養(yǎng)殖設(shè)備提供電能．此外,浮式自供電消波堤具備水質(zhì)監(jiān)測功能,方便用戶掌握網(wǎng)箱水域的水質(zhì)．浮式自供電消波堤的發(fā)電狀態(tài)、工作狀態(tài)、水質(zhì)監(jiān)測信息需要實時地反饋到用戶手中．為了解決浮式消波堤在海上信息采集難的問題,開發(fā)人員結(jié)合理論與實踐,決定采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)．BDS相較于其他的定位系統(tǒng)具有有源定位和短報文功能,既能定位,也能實現(xiàn)用戶和用戶、用戶和控制系統(tǒng)之間的雙向短報文通信[4]．利用BDS的特點,用戶在岸基既可以獲取消波堤的位置、發(fā)電狀態(tài)、水質(zhì)監(jiān)測內(nèi)容,又可以對消波堤發(fā)送控制指令,控制消波堤工作狀態(tài)．

1 浮式自供電式消波堤結(jié)構(gòu)原理

為達到最佳消波效果,浮式自供電消波堤采用半浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計．如圖1所示,消波堤外部包括浮體、擺葉以及錨泊系統(tǒng)．?dāng)[葉有一定的活動角度,迎接波浪的擺葉與浮體之間形成開合狀態(tài),且弧形凹槽面迎接波浪,這樣可以讓擺葉捕獲到更多的波浪能,驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電,同時達到最佳消波效果．背對波浪的擺葉則與浮體貼合,避免擺葉在浮體轉(zhuǎn)動下水時產(chǎn)生阻力,影響裝置轉(zhuǎn)動,降低發(fā)電效率．浮體和錨泊系統(tǒng)共同配合,使消波堤整體處于標定的吃水深度,錨泊系統(tǒng)還可以有效地避免消波堤由于惡劣的天氣因素造成消波堤漂走或者偏移工作位置．

消波堤內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,當(dāng)波浪沖擊擺葉,帶動消波堤浮體轉(zhuǎn)動時,能量經(jīng)由內(nèi)部的傳動系統(tǒng)傳遞至消波堤內(nèi)的發(fā)電機,產(chǎn)生電能．消波堤內(nèi)部還配有穩(wěn)壓電路,避免在復(fù)雜的海況下產(chǎn)生不穩(wěn)定的電能,損壞蓄電池以及網(wǎng)箱養(yǎng)殖設(shè)備．結(jié)合圖1可知,本裝置可以根據(jù)用戶的不同需求模塊化組裝、定制適合用戶使用要求的消波堤群．消波堤自身尺寸也可以根據(jù)不同的需求設(shè)計成不同的尺寸比例,從而實現(xiàn)更好的消波效果、發(fā)電能力．

1.內(nèi)齒圈、2.行星輪、3.行星架、4.太陽輪、5.發(fā)電機、6.連接軸圖2 消波堤傳動系統(tǒng)示意圖

2 BDS在浮式自供電消波堤方案中的應(yīng)用

BDS在1994年開始研制,發(fā)展至今,已經(jīng)成為與美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)、歐盟的伽利略定位系統(tǒng)(Galileo)并駕齊驅(qū)的四大全球定位系統(tǒng)之一[5]．截止目前,BDS在航海、航空、授時、電力、海上作業(yè)等方面已經(jīng)取得重大成就[6]．BDS具備無線電測定業(yè)務(wù)(RDSS)與無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)兩種工作模式,在RDSS模式下,可以實現(xiàn)定位功能和雙向短報文通信,這是BDS具備的一大特色功能．此功能不僅可以實現(xiàn)對自身的定位,還可以將自身信息通過雙向短報文方式發(fā)送出去,但RDSS模式下的通信頻度僅為1 min．在RNSS模式下,可以實現(xiàn)1 s的定位頻度,但無法實現(xiàn)短報文通信[7]．浮式自供電消波堤在惡劣的海況下可能偏離工作位置,在這種情況下就需要實時掌握裝置的位置,及時讓裝置停止工作,進入安全防護模式,防止因惡劣海況對裝置帶來不必要的損失．BDS短報文通信每條報文內(nèi)容長度最大容量是140字節(jié),理論上可以滿足浮式自供電消波堤每次采集的信息量(包括電能信息、水質(zhì)信息等)的長度．用戶對消波堤進行監(jiān)控時,并不需要極為嚴格的監(jiān)控條件,1 min的通信頻度可以達到監(jiān)控要求．結(jié)合實際與理論分析,浮式自供電消波堤采用BDS下的RDSS工作模式作為用戶與浮式自供電消波堤之間的通信方式,此通信方式可以滿足用戶對消波堤的要求．

浮式自供電消波堤整體系統(tǒng)原理如圖3所示,水上裝置包括消波堤主體、整流穩(wěn)壓模塊、蓄電池、信號采集模塊以及BDS海上用戶機．所有采集到的信號都需要經(jīng)由BDS海上用戶機傳輸至BDS岸基用戶機,然后發(fā)送至岸基服務(wù)器[8](本裝置使用上海海洋大學(xué)服務(wù)器),最后用戶通過用戶終端得到消波堤數(shù)據(jù)．

圖3 自浮式自供電消波堤方案示意圖

3 BDS在浮式自供電消波堤通信系統(tǒng)構(gòu)成

如圖4所示,整個通信系統(tǒng)需要由信息采集端(水質(zhì)監(jiān)測模塊、消波堤監(jiān)測模塊、發(fā)電參數(shù)采集模塊)、BDS海上用戶機、BDS岸基用戶機、服務(wù)器組成．信息采集端與BDS海上用戶機集成于浮式自供電消波堤內(nèi),構(gòu)成海上裝置部分;BDS岸基用戶機、服務(wù)器構(gòu)成岸基裝置部分[9]．

3.1 海上設(shè)備與岸基設(shè)備數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計

BDS的RDSS模式下的短報文功能單次報文容量最大為140字節(jié),報文頻度為1 min,RDSS模式具備的定位加雙向短報文的特點以及性價比高、安全可靠等優(yōu)點是本設(shè)計選擇BDS的原因．但RDSS模式下報文容量有限制,所以需要合理地設(shè)計通信協(xié)議,在不超出容量的同時,盡可能地保證通信的質(zhì)量,得到最優(yōu)的通信數(shù)據(jù)．根據(jù)上述限制與要求,設(shè)計團隊定制了一套簡易的短報文傳輸協(xié)議,在每組數(shù)據(jù)中必須包含消波堤ID,以便確認數(shù)據(jù)來源,數(shù)據(jù)發(fā)送后需要得到回執(zhí),即得到對方發(fā)送的數(shù)據(jù)接收完畢指令,如果未得到數(shù)據(jù)回執(zhí)指令,則重新發(fā)送該組數(shù)據(jù),以此循環(huán)3次,若3次均未收到回執(zhí)指令,則發(fā)送下一組數(shù)據(jù)[10]．具體的通信協(xié)議如表1 所示．

表1 BDS衛(wèi)星RDSS短報文數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

3.2 數(shù)據(jù)庫與用戶通信設(shè)計

所有采集到的數(shù)據(jù)均需存入服務(wù)器中,以方便數(shù)據(jù)記錄與處理．用戶獲取海上的浮式自供電消波堤采集的各項參數(shù)的途徑包括:

1)直接操作服務(wù)器．在浮式自供電消波堤設(shè)備的設(shè)計中,采用的是上海海洋大學(xué)數(shù)據(jù)庫,如圖5所示．在實際使用中,用戶可以組建小型的工作站,配合北斗岸基用戶機,直接把數(shù)據(jù)存入小型工作站中,實現(xiàn)對浮式自供電消波堤的信息采集、控制．

2)通過用戶終端軟件．在浮式自供電消波堤的設(shè)計中,設(shè)計人員借助VS2010平臺,利用C#語言編寫了用戶終端軟件,用戶在上位機中安裝此用戶終端軟件,就可以得到服務(wù)器實時上傳至網(wǎng)絡(luò)中的海上檢測模塊傳輸來的數(shù)據(jù)．用戶也可以通過控制端發(fā)送控制消波堤控制指令,然后由服務(wù)器通過BDS岸基用戶機發(fā)送控制指令給海上設(shè)備[11]．

圖5 上海海洋大學(xué)服務(wù)器

4 BDS在浮式自供電消波堤通信中的實際應(yīng)用

設(shè)計團隊根據(jù)消波堤在實際應(yīng)用時的尺寸比例,制造了40 W的測試樣機,在東海大橋的蘆潮港碼頭附近進行海試．測試樣機如圖6所示．圖7 為海試時樣機下水圖．樣機內(nèi)部包含有水質(zhì)監(jiān)測傳感器、BDS用戶機等．

圖6 測試樣機實物圖 圖7 測試樣機下水圖

浮式自供電消波堤用戶端界面如圖8所示,此用戶端是基于VS2010平臺,借助C#語言編寫的能與BDS岸基用戶機進行直接通信的上位機軟件．在用戶端中,我們可以實現(xiàn)對發(fā)電機發(fā)電狀態(tài)(電壓、負載電流、發(fā)電功率的監(jiān)測)、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備、浮式自供電消波堤實時位置進行監(jiān)控,還可以通過此控制端發(fā)送控制指令控制浮式自供電消波堤的工作狀態(tài)(啟動工作、停止工作)．在使用此控制端時,需要搭建好通信系統(tǒng),或者與服務(wù)器互聯(lián)．一套完整的通信系統(tǒng)所必備的條件是:帶有用戶端的服務(wù)器或者用戶工作站、BDS岸基用戶機、BDS海上用戶機以及消波堤內(nèi)部的各類信息采集傳感器．圖8中顯示的是測試樣機海試當(dāng)天過程中發(fā)電機的實時功率曲線圖．考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)的直觀性,我們在默認狀態(tài)下采用曲線圖表示,用戶如果想看具體參數(shù),可以自行設(shè)置成數(shù)值顯示．發(fā)電機發(fā)電數(shù)據(jù)的正常采集與顯示,表明了浮式自供電消波堤可以與岸基進行正常的通信,BDS在本裝置中成功應(yīng)用．

5 結(jié)束語

BDS因其用戶設(shè)備價格低廉,操作簡單易用以及具備有源定位和雙向短報文功能，在海洋作業(yè)方面的應(yīng)用越來越廣泛．本文設(shè)計的基于BDS的浮式自供電消波堤的通信系統(tǒng),解決了對消波堤在海上與岸基用戶通信的難題．通過海試得出的監(jiān)測數(shù)據(jù)也證明了本設(shè)計方案具備初步可行性,本設(shè)計方案可以對浮式自供電消波堤以及其他海洋能發(fā)電設(shè)備進行遠程控制、信息采集．我們下一步的任務(wù)將會在提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高通信質(zhì)量、優(yōu)化采集通道、縮小通信系統(tǒng)中的各類設(shè)備等方面進行優(yōu)化與改進．