BDS在浮式自供电消波堤通信中的应用

王世明,王家之,李泽宇,李淼淼

(上海海洋大学 工程学院,上海 201306)

0 引 言

海洋渔业的发展对国家经济与社会发展具有重要的意义．从20世纪至今,我国海洋渔业发展迅速,海洋渔业总产值在不断增长．随着科技的进步,海洋渔业也朝着现代化、科技化的方向发展[1]．

网箱养殖是海洋渔业一种较为普遍的模式．海上波浪对网箱养殖具有很大的破坏力[2],传统的解决措施是加固网箱或是在网箱外围加筑消波堤．加固网箱一定程度上会对网箱成本造成影响,加筑传统消波堤则会影响海水流动,阻碍网箱内海水与海洋之间的交换,改变了网箱的区域生态,会对网箱养殖产生一定的负面影响[3]．渔业智能设备如投饵机等的出现便利了网箱养殖,但设备的供电问题一直是难题．

基于上述问题,设计了一种浮式自供电消波堤,浮动地分布在网箱周围,在抵抗波浪的同时,也不影响海水循环,同时还可以发电,为养殖设备提供电能．此外,浮式自供电消波堤具备水质监测功能,方便用户掌握网箱水域的水质．浮式自供电消波堤的发电状态、工作状态、水质监测信息需要实时地反馈到用户手中．为了解决浮式消波堤在海上信息采集难的问题,开发人员结合理论与实践,决定采用北斗卫星导航系统(BDS)．BDS相较于其他的定位系统具有有源定位和短报文功能,既能定位,也能实现用户和用户、用户和控制系统之间的双向短报文通信[4]．利用BDS的特点,用户在岸基既可以获取消波堤的位置、发电状态、水质监测内容,又可以对消波堤发送控制指令,控制消波堤工作状态．

1 浮式自供电式消波堤结构原理

为达到最佳消波效果,浮式自供电消波堤采用半浮式结构设计．如图1所示,消波堤外部包括浮体、摆叶以及锚泊系统．摆叶有一定的活动角度,迎接波浪的摆叶与浮体之间形成开合状态,且弧形凹槽面迎接波浪,这样可以让摆叶捕获到更多的波浪能,驱动发电机发电,同时达到最佳消波效果．背对波浪的摆叶则与浮体贴合,避免摆叶在浮体转动下水时产生阻力,影响装置转动,降低发电效率．浮体和锚泊系统共同配合,使消波堤整体处于标定的吃水深度,锚泊系统还可以有效地避免消波堤由于恶劣的天气因素造成消波堤漂走或者偏移工作位置．

消波堤内部结构如图2所示,当波浪冲击摆叶,带动消波堤浮体转动时,能量经由内部的传动系统传递至消波堤内的发电机,产生电能．消波堤内部还配有稳压电路,避免在复杂的海况下产生不稳定的电能,损坏蓄电池以及网箱养殖设备．结合图1可知,本装置可以根据用户的不同需求模块化组装、定制适合用户使用要求的消波堤群．消波堤自身尺寸也可以根据不同的需求设计成不同的尺寸比例,从而实现更好的消波效果、发电能力．

1.内齿圈、2.行星轮、3.行星架、4.太阳轮、5.发电机、6.连接轴图2 消波堤传动系统示意图

2 BDS在浮式自供电消波堤方案中的应用

BDS在1994年开始研制,发展至今,已经成为与美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)、欧盟的伽利略定位系统(Galileo)并驾齐驱的四大全球定位系统之一[5]．截止目前,BDS在航海、航空、授时、电力、海上作业等方面已经取得重大成就[6]．BDS具备无线电测定业务(RDSS)与无线电导航业务(RNSS)两种工作模式,在RDSS模式下,可以实现定位功能和双向短报文通信,这是BDS具备的一大特色功能．此功能不仅可以实现对自身的定位,还可以将自身信息通过双向短报文方式发送出去,但RDSS模式下的通信频度仅为1 min．在RNSS模式下,可以实现1 s的定位频度,但无法实现短报文通信[7]．浮式自供电消波堤在恶劣的海况下可能偏离工作位置,在这种情况下就需要实时掌握装置的位置,及时让装置停止工作,进入安全防护模式,防止因恶劣海况对装置带来不必要的损失．BDS短报文通信每条报文内容长度最大容量是140字节,理论上可以满足浮式自供电消波堤每次采集的信息量(包括电能信息、水质信息等)的长度．用户对消波堤进行监控时,并不需要极为严格的监控条件,1 min的通信频度可以达到监控要求．结合实际与理论分析,浮式自供电消波堤采用BDS下的RDSS工作模式作为用户与浮式自供电消波堤之间的通信方式,此通信方式可以满足用户对消波堤的要求．

浮式自供电消波堤整体系统原理如图3所示,水上装置包括消波堤主体、整流稳压模块、蓄电池、信号采集模块以及BDS海上用户机．所有采集到的信号都需要经由BDS海上用户机传输至BDS岸基用户机,然后发送至岸基服务器[8](本装置使用上海海洋大学服务器),最后用户通过用户终端得到消波堤数据．

图3 自浮式自供电消波堤方案示意图

3 BDS在浮式自供电消波堤通信系统构成

如图4所示,整个通信系统需要由信息采集端(水质监测模块、消波堤监测模块、发电参数采集模块)、BDS海上用户机、BDS岸基用户机、服务器组成．信息采集端与BDS海上用户机集成于浮式自供电消波堤内,构成海上装置部分;BDS岸基用户机、服务器构成岸基装置部分[9]．

3.1 海上设备与岸基设备数据通信协议设计

BDS的RDSS模式下的短报文功能单次报文容量最大为140字节,报文频度为1 min,RDSS模式具备的定位加双向短报文的特点以及性价比高、安全可靠等优点是本设计选择BDS的原因．但RDSS模式下报文容量有限制,所以需要合理地设计通信协议,在不超出容量的同时,尽可能地保证通信的质量,得到最优的通信数据．根据上述限制与要求,设计团队定制了一套简易的短报文传输协议,在每组数据中必须包含消波堤ID,以便确认数据来源,数据发送后需要得到回执,即得到对方发送的数据接收完毕指令,如果未得到数据回执指令,则重新发送该组数据,以此循环3次,若3次均未收到回执指令,则发送下一组数据[10]．具体的通信协议如表1 所示．

表1 BDS卫星RDSS短报文数据传输协议

3.2 数据库与用户通信设计

所有采集到的数据均需存入服务器中,以方便数据记录与处理．用户获取海上的浮式自供电消波堤采集的各项参数的途径包括:

1)直接操作服务器．在浮式自供电消波堤设备的设计中,采用的是上海海洋大学数据库,如图5所示．在实际使用中,用户可以组建小型的工作站,配合北斗岸基用户机,直接把数据存入小型工作站中,实现对浮式自供电消波堤的信息采集、控制．

2)通过用户终端软件．在浮式自供电消波堤的设计中,设计人员借助VS2010平台,利用C#语言编写了用户终端软件,用户在上位机中安装此用户终端软件,就可以得到服务器实时上传至网络中的海上检测模块传输来的数据．用户也可以通过控制端发送控制消波堤控制指令,然后由服务器通过BDS岸基用户机发送控制指令给海上设备[11]．

图5 上海海洋大学服务器

4 BDS在浮式自供电消波堤通信中的实际应用

设计团队根据消波堤在实际应用时的尺寸比例,制造了40 W的测试样机,在东海大桥的芦潮港码头附近进行海试．测试样机如图6所示．图7 为海试时样机下水图．样机内部包含有水质监测传感器、BDS用户机等．

图6 测试样机实物图 图7 测试样机下水图

浮式自供电消波堤用户端界面如图8所示,此用户端是基于VS2010平台,借助C#语言编写的能与BDS岸基用户机进行直接通信的上位机软件．在用户端中,我们可以实现对发电机发电状态(电压、负载电流、发电功率的监测)、水质监测设备、浮式自供电消波堤实时位置进行监控,还可以通过此控制端发送控制指令控制浮式自供电消波堤的工作状态(启动工作、停止工作)．在使用此控制端时,需要搭建好通信系统,或者与服务器互联．一套完整的通信系统所必备的条件是:带有用户端的服务器或者用户工作站、BDS岸基用户机、BDS海上用户机以及消波堤内部的各类信息采集传感器．图8中显示的是测试样机海试当天过程中发电机的实时功率曲线图．考虑到监测数据的直观性,我们在默认状态下采用曲线图表示,用户如果想看具体参数,可以自行设置成数值显示．发电机发电数据的正常采集与显示,表明了浮式自供电消波堤可以与岸基进行正常的通信,BDS在本装置中成功应用．

5 结束语

BDS因其用户设备价格低廉,操作简单易用以及具备有源定位和双向短报文功能，在海洋作业方面的应用越来越广泛．本文设计的基于BDS的浮式自供电消波堤的通信系统,解决了对消波堤在海上与岸基用户通信的难题．通过海试得出的监测数据也证明了本设计方案具备初步可行性,本设计方案可以对浮式自供电消波堤以及其他海洋能发电设备进行远程控制、信息采集．我们下一步的任务将会在提高通信系统的稳定性、提高通信质量、优化采集通道、缩小通信系统中的各类设备等方面进行优化与改进．