99年農業電子報

【專題報告二】澎湖青灣太陽能WSN多浮標水質感測系統之設計與應用

作者：行政院農業委員會水產試驗所企劃資訊組
副研究員林志遠

壹、前言及背景
澎湖馬公市青灣海域擁有珍貴而特殊的珊瑚生態，亦為珊瑚產卵重鎮。2003年之前珊瑚覆蓋率達到76%，但之後本海域因持續遭受漁船作業的廢油污染、廢漁網覆蓋與錨害，以及觀光客與漁民不當的潛水與採集作業等人為破壞使得珊瑚生態遭受極大壓迫。2005年調查已大幅衰減為20%，而2008年2月的澎湖寒害對於當地環境更是雪上加霜。另一方面，目前水產試驗所水產生物種原庫澎湖支庫臨近澎湖青灣，取用該灣水源進行種原庫內至少數十種特有或高經濟性種原繁殖及飼育之用，且亦規劃於灣中進行多種水產生物之箱網中間育成。因此，極需對本水域進行長期環境監測。但因傳統船測方式受限於時空條件之侷限性，無法滿足監測需求。因此需建立一套運用太陽能自主供電、使用無線傳輸技術自動回傳監測之水質資料進資料庫儲存之自動化連續監測系統，降低回收監測資料之人力與時間成本。 WSN ZigBee（註一）為基於IEEE802.15.4通訊協定之無線傳輸技術，具有低成本、低功耗特性。目前國外研究者所使用之浮標皆為只搭載水溫感測器、電池供電之小型浮標，少量運用於藻類生長程度與水溫變化關係研究上，在監測載台穩定性、電力持續供應性、水質資料種類上皆不夠穩定及充足，在國內則目前尚未有使用WSN於海洋監測之研究與應用之先例。本研究之目的為設計並利用嵌入式系統整合控制WSN ZigBee傳輸技術發展一具有太陽能自主供電及電力控制能力，與溫度、鹽度、pH、溶氧、濁度及葉綠素等多參數水質監測儀器的觀測浮標系統，以期達到海域水質觀測與預警之目的。

貳、系統之規劃與設計

一、浮標佈放與Zigbee通訊規劃
先使用船隻進行10個預選定的測點觀測來評估其水文條件及該點位之底質分布狀態及潮差、WSN資料傳輸特性與易於觀察珊瑚生態等因素，決定主次共4節點浮標之投放位置如圖1所示，浮標之節點距離各約為150m、270m及330m左右。次節點之觀測資料將先以Zigbee-Star（註二）方式傳送至主節點後，全部節點資料再以Zigbee-P2P（peer-to-peer）方式傳送至岸置中繼站轉區域網路至資料庫伺服器端。另經測試三款不同發射功率Zigbee模組之陸域及海域資料傳輸距離及資料傳輸成功率後，選擇以XBee-PRO ZNet 2.5作為WSN架構下的主次節點浮標載體之通訊元件。

圖1 伺服器端、岸置中繼站、WSN浮標節點(4處)設置區位圖

二、浮標本體設計與結構分析
4具主次節點浮標外觀設計皆可分為上部結構、浮體結構及下部結構(圖2)三部份。上部結構的主要包括太陽能板、架設GPS天線、ZigBee天線及用於警告附近船隻之具太陽能自行供電航行警示燈。浮體部分之結構的主要功能為連結上、下部結構並提供浮標整體的浮力，並在內部設計一個儀器艙室以容納並保護所需之訊號傳輸及電源控制設備，並於外殼與儀器艙之間填充發泡劑，以降低受撞擊之衝擊力及增加浮標之浮力。而下部結構主要功能為聯結錨碇裝置以避免浮標漂流及增加底部配重塊以降低浮標受浪之搖晃幅度，並在下部結構和錨碇端之間設置一便於維護之可拆卸式儀器架，以便將水質觀測儀器固定在其中。

圖2 浮標本體側視圖

依據中央氣象局歷史統計澎湖海域平均浪高資料，在青灣海域當浮標本體因風浪起伏而產生自由落體情形時之平均受力約在1.7G左右，而3G以上受力則已屬於颱風來襲之海況條件。為了解浮標是否能夠承受投放地點海況之影響，設計過程均以AutoCAD（註三）及COSMOS DesignSTAR（註四）有限元素分析軟體進行浮標結構剪切應變等效應力（註五）模擬分析浮標本體因波浪引發之自由落體時所承受之剪切應變等效應力及型變大小(圖3)。模擬結果發現即使受到10G之撞擊，浮標所受到的剪切應變等效應力尚遠小於304不鏽鋼的彈性係數(Elastic modulus)(圖4)。