水面無(wú)線自組網(wǎng)裝備研發(fā)與水動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

徐軼群，曹澤祥，鄧立向

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門361021； 2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

研究海洋，網(wǎng)絡(luò)通信是基礎(chǔ)。由于海洋面積廣闊、環(huán)境復(fù)雜等因素，離岸線較遠(yuǎn)通常是12海里以外的海域，主要依賴高通量衛(wèi)星通信和北斗短報(bào)文通信，近岸可以依靠移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)[1-3]。衛(wèi)星通信成本高，天線復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難，北斗短報(bào)文信息流通量小，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)覆蓋有限，通信仍是海洋研究和利用的瓶頸。近年來(lái)無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用有很大發(fā)展，國(guó)外有報(bào)道用于海洋通信[4-6]。

傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測(cè)主要采用錨泊式平臺(tái)化浮標(biāo)，定點(diǎn)監(jiān)測(cè)指定海域水文數(shù)據(jù)，此方法成本高，用一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)描述一個(gè)海域，數(shù)據(jù)精細(xì)化程度不夠[7-9]。近年來(lái)，針對(duì)水下監(jiān)測(cè)開(kāi)發(fā)了很多新產(chǎn)品，如Argo、水下機(jī)器人和水下滑翔機(jī)等先進(jìn)產(chǎn)品，被應(yīng)用于海洋監(jiān)測(cè)[10-13]，雖然擴(kuò)大了監(jiān)測(cè)范圍，但成本、通信和電源等問(wèn)題仍然制約其大規(guī)模推廣應(yīng)用。

本研究采用開(kāi)放頻率段433 MHz設(shè)計(jì)無(wú)線通信基站，通過(guò)船舶、浮標(biāo)、岸基、島嶼，甚至是無(wú)人機(jī)搭載基站，構(gòu)建水面無(wú)線自組網(wǎng)，能快速形成半徑100 km無(wú)線覆蓋。研究還設(shè)計(jì)了微型浮標(biāo)，該浮標(biāo)具有無(wú)線通信、北斗定位、授時(shí)和傳感器接口功能，成本低，可以不回收，能大量放置，隨波逐流，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、精細(xì)采集位置、流速和浪高等數(shù)據(jù)。本研究對(duì)一些海域進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，獲得該海域精細(xì)化水動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)踐證明該方法對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖、泥沙沉積、垃圾漂流追蹤、海洋工程施工等具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 水面無(wú)線自組網(wǎng)的架構(gòu)

低頻自組無(wú)線局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)共同組成水面無(wú)線自組網(wǎng)。低頻自組無(wú)線局域網(wǎng)是由浮標(biāo)和基站構(gòu)成，基站可以布置在船舶、岸基、島嶼、航標(biāo)甚至是無(wú)人機(jī)上，浮標(biāo)也可以作為接力基站，實(shí)現(xiàn)大量浮標(biāo)和基站之間的實(shí)時(shí)通信。廣域網(wǎng)則是基站與陸地之間的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，通常由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)、岸基有線網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)到地面數(shù)據(jù)中心之間的傳輸。水面無(wú)線自組網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 無(wú)線自組網(wǎng)基站和浮標(biāo)設(shè)計(jì)

2.1 基站設(shè)計(jì)

基站功能：對(duì)浮標(biāo)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，對(duì)數(shù)據(jù)分析和加工并做本地化臨時(shí)存儲(chǔ)，通過(guò)衛(wèi)星和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)向公共數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)抵抗干擾、增加接入數(shù)量的功能，基站采用433 MHz頻率段并使用跳頻和變頻的方式。基站每分鐘在標(biāo)準(zhǔn)模式下可采集1 000個(gè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)，如對(duì)采集周期進(jìn)行延長(zhǎng)，則微型浮標(biāo)的接入數(shù)應(yīng)相應(yīng)增加。

圖1 水面無(wú)線自組網(wǎng)架構(gòu)Fig. 1 Water surface wireless Ad-Hoc network structure

基站的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用大容量128 Mflash，并可進(jìn)行參數(shù)配置，遇到網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)可實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳功能。基站電路原理圖如圖2所示，由中央處理單元、LoRa模塊、北斗定位模塊組成。基站實(shí)物見(jiàn)圖3(a)。

圖2 基站電路原理圖Fig. 2 Schematic diagram of base station circuit(a):中央處理單元原理圖,(b):北斗衛(wèi)星定位及433 MHz無(wú)線通信電路圖

圖3 水面自組網(wǎng)基站與浮標(biāo)Fig. 3 Base station and buoy of water surface self-organizing network

2.2 微型浮標(biāo)設(shè)計(jì)

對(duì)于傳統(tǒng)的海洋研究，通過(guò)放置大型浮標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣的方式價(jià)格昂貴且放置數(shù)量有限，導(dǎo)致無(wú)法精細(xì)化地對(duì)某一海域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。污染物排放、赤潮追蹤、海漂垃圾追溯以及水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)等需要放置大量微型浮漂，精細(xì)化采集海流水動(dòng)力數(shù)據(jù)[14-15]。本研究設(shè)計(jì)了一種低成本、低功耗、可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奈⑿透?biāo)，能夠?qū)δ骋缓Ｓ驍?shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化采集和水動(dòng)力建模。

對(duì)試驗(yàn)海域?qū)崿F(xiàn)無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并在海域內(nèi)拋撒大量微型浮標(biāo)，讓其隨海流運(yùn)動(dòng)，自身攜帶電源可續(xù)航一個(gè)月。微型浮標(biāo)每隔1 min向基站上傳一條帶有位置信息的數(shù)據(jù)，對(duì)水動(dòng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)精細(xì)采集，這對(duì)于近海小尺度水動(dòng)力學(xué)研究是一種非常好的方法。由于該方法成本低廉，拋撒下的微型浮標(biāo)可不進(jìn)行回收。

微型浮標(biāo)的實(shí)物如圖3(b)所示。其電路原理圖如圖4所示，主要包括中央處理單元、Lora模塊、北斗模塊以及485接口模塊。如果需采集海洋溫度、溶氧量、pH值、鹽度等參數(shù)，可通過(guò)微型浮標(biāo)上的485接口連接海洋監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

圖4 微型浮標(biāo)電路原理圖Fig. 4 Schematic diagram of miniature buoy circuit

3 無(wú)線自組網(wǎng)海洋應(yīng)用研究

浮標(biāo)通過(guò)傳感器采集位置、航速、航向、溫度等數(shù)據(jù)，每隔2 min由水面無(wú)線自組網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至海上及陸上基站，基站借助2G/3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至大數(shù)據(jù)處理中心，大數(shù)據(jù)處理中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、挖掘，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溢油追蹤、海漂垃圾追蹤、泥沙沉積追蹤、海域水動(dòng)力平衡測(cè)試、潮沖程測(cè)量等應(yīng)用(圖5)。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸流程圖Fig. 5 Data transfer flowchart

3.1 海域水動(dòng)力平衡測(cè)試

2018年11月26日，小雨天氣，潮高為615 cm。在廈門與集美連接的海堤?hào)|西兩邊3 km處海域，漲潮開(kāi)始時(shí)，各投放30個(gè)浮標(biāo)。結(jié)果顯示浮標(biāo)開(kāi)始隨潮流，分別從東西兩側(cè)向海堤漂去[圖6(a)]，平潮時(shí)浮漂的位置如圖6(b)所示。多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，海水潮汐動(dòng)力從外海涌入廈門灣，在廈門大橋附近平衡，如圖6(b)圈中所示，形成“動(dòng)力堤”。實(shí)踐證明海堤所在的位置，對(duì)廈門島潮汐環(huán)流影響不大。

3.2 潮沖程測(cè)量應(yīng)用

2019年8月4日，天氣晴，潮高為738 cm。在莆田湄洲灣海域投放11個(gè)浮標(biāo)測(cè)量潮水沖程，結(jié)果(圖7)顯示了漲潮過(guò)程中的浮標(biāo)軌跡。潮水達(dá)到最高位置時(shí)，數(shù)據(jù)顯示潮沖程為7.5 km。

3.3 海漂垃圾追蹤應(yīng)用

2019年7月13日，天氣陰，潮高為513 cm。在九龍江口海域一字排開(kāi)，投放20個(gè)浮標(biāo)，結(jié)果全部浮標(biāo)漂浮至鼓浪嶼周邊海域，由此可知，九龍江攜帶的大量海漂垃圾漂往鼓浪嶼及周邊海域沿岸(圖8)。

圖6 廈門島環(huán)流水動(dòng)力平衡Fig. 6 Circulation hydrodynamic balance around Xiamen Island

3.4 泥沙沉積追蹤應(yīng)用

廈門灣九龍江口大量漂浮垃圾流向鼓浪嶼海域(圖8)，在一定程度上也反應(yīng)出九龍江口泥沙流向，為了繼續(xù)追蹤九龍江泥沙，選擇在臨近鼓浪嶼的海滄大橋下投放浮標(biāo)。

2019年4月24日，天氣晴，潮高約為564 cm，在海滄大橋附近海域投放一批浮標(biāo)。在漲潮的過(guò)程中，浮標(biāo)在杏林高浦村海域伴隨退潮折返，速度趨于0，水流速度變慢，泥沙就會(huì)沉積(圖9)。衛(wèi)星圖像顯示，杏林高浦村海域?yàn)╊^較高，與測(cè)試結(jié)果比較吻合。

4 小結(jié)

水面無(wú)線自組網(wǎng)具有組網(wǎng)方便、便攜、低功耗、遠(yuǎn)距離等特點(diǎn)，是一種全新的海洋水動(dòng)力學(xué)研究方法。實(shí)踐證明，該方法對(duì)近海小尺度海域，水面流水動(dòng)力精細(xì)化監(jiān)測(cè)是非常有效的。監(jiān)測(cè)獲得的大數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)挖掘分析，具有廣闊的應(yīng)用前景，除上述應(yīng)用外，對(duì)精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)、海水養(yǎng)殖容量與環(huán)境評(píng)估、海上溢油、赤潮追蹤、海上救助等具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖7 湄洲灣潮沖程監(jiān)測(cè)圖Fig. 7 Monitoring of tide strokes in Meizhou Bay

圖8 九龍江口海漂垃圾監(jiān)測(cè)Fig. 8 Monitoring of sea drift garbage in Jiulongjiang Estuary

圖9 廈門灣泥沙沉積監(jiān)測(cè)Fig. 9 Sediment deposition monitoring in Xiamen Bay