文档介绍：基于波浪能的海洋牧场环境监测系统设计
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。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。
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。 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