北斗系統在水質改良機中的應用

王永鼎,龐闖闖

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

北斗系統在水質改良機中的應用

王永鼎,龐闖闖

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

污水大量排放、過度養殖開發、生態環境惡化等因素對我國淡水資源造成了嚴重污染,水質改良機對改善湖泊、城市河流、風景區、養殖池塘等水質有顯著效果。本文從我國湖泊污染現狀出發,對北斗衛星導航系統在水質改良機上的應用進行了探索,相關構想對改善我國淡水資源污染問題具有重要意義。

北斗系統;淡水污染;水質改良機;應用

0 引 言

我國湖泊眾多,分布廣闊。其中面積在1 km2以上的的天然湖泊有2 700多個,總面積有91 000 km2,約占到我國國土面積的1%.但是我國大多數湖泊都受到不同程度的污染,其中一些城市湖泊、水庫都已達到中等營養化及重富營養化程度[1]。我國水污染形勢十分嚴峻,已由支流向主干延伸,城市向農村蔓延,地表向地下滲透,陸地向海域發展。

目前,改善水污染的方法很多,其中利用水質改良機改善水質是一種綠色、節能、高效的方法。由于技術條件限制,傳統的水質改良機多采用固定式、電網供電。這種設備工作范圍小,噪音大,耗電量多,移動困難,只適合在小面積的水域工作,不能滿足湖泊、水庫、河流等大水域的水質改良[2]。隨著信息技術的飛速發展,全球定位導航技術日益成熟,我國自主研發的北斗衛星導航系統將會應用到各個行業[3]。北斗系統精準的定位、測速、授時和數據傳輸功能可以完美地實現水質改良機在大水域行走作業,作業范圍增大,提高了工作效率,使設備走向智能化。

1 水質改良機系統和北斗衛星導航系統概述

1.1 太陽能水質改良機系統

太陽能水質改良機系統主要由光伏供電模塊、負載模塊、控制器模塊、浮體小船四部分組成，其工作原理框圖如圖1所示。

圖1 太陽能水質改良系統原理框圖

光伏供電模塊由太陽能電池方陣、蓄電池組和控制電路組成,它是保證系統正常運行的動力來源。負載模塊包括污水提升部分和轉向部分,工作原理:污水提升裝置是由直流水泵和進水/排水管道組成,直流水泵把湖泊底層污水抽到湖面上層,促進污水中有機物分解和營養鹽釋放,達到肥水調水,改善水質的目的,同時出水口噴出的水產生的反作用力作為系統前行動力;轉向裝置是由轉向電機帶動螺旋槳改變浮體小船運行方向的裝置。控制器模塊是連接太陽能電池組、蓄電池和負載的樞紐,主要控制、調節系統各部件工作,同時能夠實現對系統各主要部件的保護作用[4-5]。浮體小船是承載系統各部件的浮體。

1.2 北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統(BDS)是我國獨立研發設計的新一代衛星導航定位系統,已于2012年12月27日正式提供區域衛星導航服務。在體制上,與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS和歐盟的Galileo一樣,都屬于RNSS(Radio Navigation Satellite System)。都采用無源定位方式[6-7]。該系統主要由三部分組成:空間軌道衛星段、地面監控接收段和客戶使用段。空間部分由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成,不僅可以覆蓋全球,而且能大幅度提高精確度;地面控制部分為地面監控系統;用戶設備部分為北斗衛星接收機。圖2所示為北斗衛星導航系統組成[8]。

圖2 北斗衛星導航系統的組成

雖然北斗系統進入應用階段時間還短,但是在不斷發展和成熟過程中,已在通信、減災、交通、海洋漁業等方面發揮了重要的作用。隨著技術不斷地更新和系統升級,北斗系統提供的服務將會在更多的行業得到廣泛的應用。

2 北斗衛星導航系統在水質改良機中的應用

2.1 北斗導航水質改良機需要實現的功能

北斗導航水質改良機主要由水質改良機和北斗信息服務系統組成。水質改良機是由太陽能電池、蓄電池、轉向電機、污水提升、控制器等一系列裝置組成;北斗信息服務系統主要由北斗衛星、北斗衛星地面站、北斗水質改良機船載終端、通信運營服務中心、地面監控指揮控制中心等組成[9-10]。要實現水質改良機在遠程控制下在湖面工作,設備需要滿足以下功能:

1) 太陽能供電

設備電源是由太陽能光伏列陣和蓄電池組成,在晴朗天氣下,由太陽能電池為負載供電,同時補充蓄電池的虧損;在陰雨天氣時,由蓄電池為設備供電。

2) 小船系統的定位

船載北斗系統定位主要是利用北斗定位系統對移動小船進行實時定位,采用地理信息系統(GIS)實時計算出移動小船的信息。

3) 無線遙控功能

小船船體上裝有無線通信模塊,地面檢測指揮控制中心在收到小船位置、當前狀態、運行速度、航行軌跡、經緯度地理位置等信息后,可以通過遠程無線遙控模塊改變移動小船的運行速度和方向,使小船到指定位置工作。

4) 控制器控制功能。控制器是北斗導航水質改良機的核心部分,是連接系統各部件的樞紐,控制各部件完成相應的任務。控制器實現的任務主要有:控制太陽能供電系統給設備供電,同時能夠避免蓄電池發生欠壓放電和過流放電,對蓄電池進行保護;處理收到的信號、信息,并給出相應的指令信號,控制北斗船載終端收發信號、水泵提水速度、轉向電機正反轉等。

5) 水質改良。設備的最終目的是把湖底底層污水抽到湖面,促進有機物和營養鹽的分解,達到水質改良的效果。

2.2 北斗導航水質改良機工作過程分析

水質改良機的工作狀態是根據浮體小船的位置、運行速度、風向的大小、需要工作的任務、工作水域位置和距離等因素決定的。與其他定位、導航系統相比較,北斗最大的特點是把小船運行與通信結合起來,實現實時跟蹤小船狀態。再利用無線遙控在室內控制水質改良機的運行狀態,就可以做到對水質改良機的實時控制。如圖3所示為北斗導航水質改良機的原理框圖。

圖3 北斗導航水質改良機原理框圖

3 結束語

本文通過對目前水質改良機的發展趨勢和現有的設備進行分析,提出采用北斗定位系統和水質改良機相結合進行水質改良工作。首先概述水質改良機系統和北斗衛星導航系統,介紹了其基本原理和組成,然后分析討論了北斗定位系統和水質改良機相結合需要實現的功能和效果,最后分析北斗導航水質改良機的工作過程。

北斗衛星導航系統在水質改良機上的應用,將湖泊中小船信息和陸地信息實時聯動共享,實現了實時觀察和控制水質改良機的運行,一改傳統水質改良機工作范圍小、設備固定、電網供電、移動困難、噪音大等缺點,為水質改良提供了一種可靠有效的方法。從環境改善和水質改良目前的發展形勢看,北斗衛星導航系統在水質改良機中的應用前景十分廣闊。

[1] 賀詩水,王洪凱,王明山.湖泊污染對淡水漁業發展影響的初步分析[J].河北農業科學,2008,12(2):108-110.

[2] 劉興國,徐皓,張擁軍,等.池塘移動式太陽能水質調控機研制與試驗[J].農業工程學報,2014,30(19):1-10.

[3] 張攀,朱敦堯,董紅波.北斗衛星導航系統在智慧城市建設中的應用探討[J].全球定位系統,2013,38(4):71-74.

[4] 王永鼎.水車式增氧機中太陽能的應用研究[J].水產科技情報,2006,33(5):222.224.

[5] 楊家朋,張擁軍,唐榮,等.太陽能投餌機光伏供電系統的設計[J].漁業現代化,2014(2):28-31.

[6] 王冠生,鄭江華,瓦哈甫·哈力克,等.北斗衛星在智慧城市建設中的應用評述[J].傳感器與微系統,2013,32(11):1-5.

[7] 馮志杰.北斗導航系統在物聯網中的應用研究[J].電子商務,2013(6):1-2.

[8] 漆莊平.北斗衛星背景下物聯網網絡層體系架構分析[J].科協論壇,2013(3):67-68.

[9] 姜連舉,楊寶峰.“北斗”成全球衛星導航系統四大核心供應商之一[N].解放軍報,2012-11-23.

[10] 梁俊斌,鄧雨榮,郭麗娟，等.基于衛星物聯網的輸變電設施遠程監控研究與應用[J].電力建設,2013,34(9):6-9.

The Application of Beidou System in Water Quality Improvement machine

WANG Yongding,PANG Chuangchuang

(CollegeofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

A large number of sewage emissions, excessive aquaculture development, deterioration of ecological environment caused serious pollution of water resources in China.To improve the water quality of Lake City, river, scenic areas, aquaculture ponds and other water quality improvement of the machine has significant effect.According to the current situation of lake pollution of our country, explores the application of Beidou satellite navigation system in improving water quality on the machine, the idea is of great significance to improve water pollution in china.

BeiDou system; water pollution; water quality improvement machine; application

2016-07-10

上海市科技興農項目(滬農科攻字(2014)第6-3號)

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.024

S969

1008-9268(2016)06-0119-03

王永鼎(1963-),男,上海人,教授,研究方向為水產與漁業機械研究。

龐闖闖(1990-),男,河南人,碩士,主要從事水產與漁業機械研究。

聯系人：龐闖闖 E-mail: chchpang@163.com