水面无线自组网装备研发与水动力学监测应用研究

2021-05-19徐轶群曹泽祥邓立向

应用海洋学学报 2021年2期

徐轶群，曹泽祥，邓立向

(1.集美大学轮机工程学院，福建厦门361021； 2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建厦门 361021)

研究海洋，网络通信是基础。由于海洋面积广阔、环境复杂等因素，离岸线较远通常是12海里以外的海域，主要依赖高通量卫星通信和北斗短报文通信，近岸可以依靠移动运营商网络[1-3]。卫星通信成本高，天线复杂，实现困难，北斗短报文信息流通量小，移动运营商网络覆盖有限，通信仍是海洋研究和利用的瓶颈。近年来无线自组网络的应用有很大发展，国外有报道用于海洋通信[4-6]。

传统的海洋监测主要采用锚泊式平台化浮标，定点监测指定海域水文数据，此方法成本高，用一个点的数据来描述一个海域，数据精细化程度不够[7-9]。近年来，针对水下监测开发了很多新产品，如Argo、水下机器人和水下滑翔机等先进产品，被应用于海洋监测[10-13]，虽然扩大了监测范围，但成本、通信和电源等问题仍然制约其大规模推广应用。

本研究采用开放频率段433 MHz设计无线通信基站，通过船舶、浮标、岸基、岛屿，甚至是无人机搭载基站，构建水面无线自组网，能快速形成半径100 km无线覆盖。研究还设计了微型浮标，该浮标具有无线通信、北斗定位、授时和传感器接口功能，成本低，可以不回收，能大量放置，随波逐流，在网络覆盖区内实时、精准、精细采集位置、流速和浪高等数据。本研究对一些海域进行监测试验，获得该海域精细化水动力学数据，实践证明该方法对水产养殖、泥沙沉积、垃圾漂流追踪、海洋工程施工等具有重要的实际应用价值。

1 水面无线自组网的架构

低频自组无线局域网和广域网共同组成水面无线自组网。低频自组无线局域网是由浮标和基站构成，基站可以布置在船舶、岸基、岛屿、航标甚至是无人机上，浮标也可以作为接力基站，实现大量浮标和基站之间的实时通信。广域网则是基站与陆地之间的数据通信网络，通常由卫星网络、移动运营商网络、岸基有线网络等构成，实现海洋监测数据到地面数据中心之间的传输。水面无线自组网系统架构如图1所示。

2 无线自组网基站和浮标设计

2.1 基站设计

基站功能：对浮标采集到的数据进行接收，对数据分析和加工并做本地化临时存储，通过卫星和移动运营商网络向公共数据服务平台上传数据。

为实现抵抗干扰、增加接入数量的功能，基站采用433 MHz频率段并使用跳频和变频的方式。基站每分钟在标准模式下可采集1 000个浮标数据，如对采集周期进行延长，则微型浮标的接入数应相应增加。

图1 水面无线自组网架构Fig. 1 Water surface wireless Ad-Hoc network structure

基站的数据存储采用大容量128 Mflash，并可进行参数配置，遇到网络故障时可实现断点续传功能。基站电路原理图如图2所示，由中央处理单元、LoRa模块、北斗定位模块组成。基站实物见图3(a)。

图2 基站电路原理图Fig. 2 Schematic diagram of base station circuit(a):中央处理单元原理图,(b):北斗卫星定位及433 MHz无线通信电路图

图3 水面自组网基站与浮标Fig. 3 Base station and buoy of water surface self-organizing network

2.2 微型浮标设计

对于传统的海洋研究，通过放置大型浮标进行数据采集，这样的方式价格昂贵且放置数量有限，导致无法精细化地对某一海域进行数据采集。污染物排放、赤潮追踪、海漂垃圾追溯以及水产养殖监测等需要放置大量微型浮漂，精细化采集海流水动力数据[14-15]。本研究设计了一种低成本、低功耗、可进行远距离传输的微型浮标，能够对某一海域数据进行精细化采集和水动力建模。

对试验海域实现无线自组网络覆盖，并在海域内抛撒大量微型浮标，让其随海流运动，自身携带电源可续航一个月。微型浮标每隔1 min向基站上传一条带有位置信息的数据，对水动力数据进行精准精细采集，这对于近海小尺度水动力学研究是一种非常好的方法。由于该方法成本低廉，抛撒下的微型浮标可不进行回收。

微型浮标的实物如图3(b)所示。其电路原理图如图4所示，主要包括中央处理单元、Lora模块、北斗模块以及485接口模块。如果需采集海洋温度、溶氧量、pH值、盐度等参数，可通过微型浮标上的485接口连接海洋监测传感器进行数据的采集。

图4 微型浮标电路原理图Fig. 4 Schematic diagram of miniature buoy circuit

3 无线自组网海洋应用研究

浮标通过传感器采集位置、航速、航向、温度等数据，每隔2 min由水面无线自组网将数据传输至海上及陆上基站，基站借助2G/3G/4G/5G网络将数据传输至大数据处理中心，大数据处理中心对数据进行分析、挖掘，进而实现溢油追踪、海漂垃圾追踪、泥沙沉积追踪、海域水动力平衡测试、潮冲程测量等应用(图5)。

图5 数据传输流程图Fig. 5 Data transfer flowchart

3.1 海域水动力平衡测试

2018年11月26日，小雨天气，潮高为615 cm。在厦门与集美连接的海堤东西两边3 km处海域，涨潮开始时，各投放30个浮标。结果显示浮标开始随潮流，分别从东西两侧向海堤漂去[图6(a)]，平潮时浮漂的位置如图6(b)所示。多次试验数据证明，海水潮汐动力从外海涌入厦门湾，在厦门大桥附近平衡，如图6(b)圈中所示，形成“动力堤”。实践证明海堤所在的位置，对厦门岛潮汐环流影响不大。

3.2 潮冲程测量应用

2019年8月4日，天气晴，潮高为738 cm。在莆田湄洲湾海域投放11个浮标测量潮水冲程，结果(图7)显示了涨潮过程中的浮标轨迹。潮水达到最高位置时，数据显示潮冲程为7.5 km。

3.3 海漂垃圾追踪应用

2019年7月13日，天气阴，潮高为513 cm。在九龙江口海域一字排开，投放20个浮标，结果全部浮标漂浮至鼓浪屿周边海域，由此可知，九龙江携带的大量海漂垃圾漂往鼓浪屿及周边海域沿岸(图8)。

图6 厦门岛环流水动力平衡Fig. 6 Circulation hydrodynamic balance around Xiamen Island

3.4 泥沙沉积追踪应用

厦门湾九龙江口大量漂浮垃圾流向鼓浪屿海域(图8)，在一定程度上也反应出九龙江口泥沙流向，为了继续追踪九龙江泥沙，选择在临近鼓浪屿的海沧大桥下投放浮标。

2019年4月24日，天气晴，潮高约为564 cm，在海沧大桥附近海域投放一批浮标。在涨潮的过程中，浮标在杏林高浦村海域伴随退潮折返，速度趋于0，水流速度变慢，泥沙就会沉积(图9)。卫星图像显示，杏林高浦村海域滩头较高，与测试结果比较吻合。

4 小结

水面无线自组网具有组网方便、便携、低功耗、远距离等特点，是一种全新的海洋水动力学研究方法。实践证明，该方法对近海小尺度海域，水面流水动力精细化监测是非常有效的。监测获得的大数据，经过挖掘分析，具有广阔的应用前景，除上述应用外，对精细化天气预报、海水养殖容量与环境评估、海上溢油、赤潮追踪、海上救助等具有非常重要的实际应用价值。