陳 亮，江 濤，閆秀英，徐 元，鄧 銳(.廣東海洋大學信息學院，廣東湛江505;.廣東醫(yī)學院附屬醫(yī)院，廣東湛江500;3.廣東海洋大學水產(chǎn)學院，廣東湛江505;.中國海洋大學網(wǎng)絡中心，山東青島66033)

深水海域遠離海岸且相對開放，水質較好，海水流動性好、自凈化能力也較強。國外以挪威為代表的深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖取得了巨大成功，相比傳統(tǒng)網(wǎng)箱養(yǎng)殖，深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖取得更顯著的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益。目前國家和各級政府投入了大量資金開展深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的引進、吸收、開發(fā)，先后在山東、浙江、廣東、海南等地取得了許多成功經(jīng)驗，使深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術成為海產(chǎn)品養(yǎng)殖發(fā)展的趨勢。全面發(fā)展深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖，是轉變漁業(yè)經(jīng)濟發(fā)展方式的重要途徑，是提升漁業(yè)產(chǎn)業(yè)核心競爭力的重要載體，是引領漁民增收致富的重要渠道，是優(yōu)化海洋生態(tài)環(huán)境的重要舉措。雖然深水海域海水流動性比較好，但僅僅通過海水流動性無法改善深水養(yǎng)殖場區(qū)的水質［1］。為了探索深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖對養(yǎng)殖海域環(huán)境的實際影響，為理論研究和科學養(yǎng)殖提供可靠、有效數(shù)據(jù)［2－3］，筆者介紹了一種基于北斗“短信息”服務的水質采集、監(jiān)測方法，實時、動態(tài)采集水質數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)構成

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式主要有2種:一是人工采集;二是基于無線通信網(wǎng)絡的方式采集。人工采集方式無法做到全天候、實時采集，而且人力成本也比較高;而無線方式采集又嚴重受制于移動網(wǎng)絡覆蓋范圍［4－5］。

針對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)覆蓋范圍也比較廣［6－8］，同時可以提供有效的報文服務，因此設計了一個基于北斗報文信息服務的實時深水養(yǎng)殖水質數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖1)。

將深水養(yǎng)殖區(qū)多參數(shù)水質傳感器采集到的海水pH、水溫、鹽度、溶解氧、氮、磷等水質數(shù)據(jù)，及時可靠地經(jīng)由北斗衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸回數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心接收數(shù)據(jù)后，將接收后的數(shù)據(jù)信息解析后存入水質因子數(shù)據(jù)庫，并進行處理，如果發(fā)現(xiàn)超出閾值預警范圍或系統(tǒng)設置要求，再次將數(shù)據(jù)信息及預警信息通過移動通信網(wǎng)發(fā)送到相關管理人員的手機。相關管理人員根據(jù)當前水質情況，可以經(jīng)由移動通信網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)及時將相關指令傳回數(shù)據(jù)處理中心，如提高水質采集頻率、修改水質預警閾值范圍等，數(shù)據(jù)處理中心在接收用戶指令后，通過北斗導航系統(tǒng)，將相關指令送達深水養(yǎng)殖中心站，中心站立即執(zhí)行相關指令修改或查詢。

圖1 系統(tǒng)整體設計框圖

1.1 北斗導航系統(tǒng) 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)(BDS)，是繼美全球定位系統(tǒng)(GPS)和俄GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具有短報文通信能力［9］。

1.2 北斗“短信息”服務 北斗星通公司的北斗定位通信終端模塊指令根據(jù)不同的功能分為6類，分別為狀態(tài)類指令、定位類指令、通信類指令、查詢類指令、授時類指令和GPS類指令。通信內(nèi)容以指令的方式表示，指令內(nèi)容用ASCⅡ碼編碼，信息以字符串形式進行傳輸?；诖?，設計了一種北斗導航系統(tǒng)的北斗“短信息”服務，用于傳輸數(shù)據(jù)信息和指令信息。

1.3 采集系統(tǒng) 深水養(yǎng)殖中心環(huán)境采集系統(tǒng)如圖2所示。數(shù)據(jù)采集端的核心控制采用nRF24le1模塊，利用模塊上的集成單片機作為主控制芯片，模塊上的集成無線芯片進行短距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，采用防水封裝的多參數(shù)水質傳感器進行水質參數(shù)數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)的供電主要采用大容量的鋰電池和太陽能電池進行供電。

中心站和各分站之間采用查詢響應模式，中心站為主模塊，各分站為從模塊，各從模塊響應主模塊指令操作。其中從模塊主要用于定時發(fā)送多參數(shù)水質傳感器采集到的水質數(shù)據(jù)和響應主模塊的各種指令請求，如查詢指令、設置指令等，主模塊將各從模塊采集到的水質數(shù)據(jù)按一定格式編碼并經(jīng)由北斗導航衛(wèi)星網(wǎng)絡發(fā)往地面數(shù)據(jù)處理中心。

圖2 環(huán)境采集系統(tǒng)

1.4 數(shù)據(jù)接收中心 數(shù)據(jù)中心對接收到的水質數(shù)據(jù)信息進行解析處理，存入水質因子數(shù)據(jù)庫，并實時形成各種水質數(shù)據(jù)曲線，當某項水質數(shù)據(jù)超過預設的閾值，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)將通過短信網(wǎng)關給相關管理人員發(fā)送預警信息。相關管理人員也可以根據(jù)需要使用自己的手機或互聯(lián)網(wǎng)查詢水質信息，或給數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)發(fā)送相關指令信息，如提高采樣頻率、查詢當前監(jiān)測數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)處理中心接收到相關指令信息后，使用北斗發(fā)送陣列將相關指令實時反饋給水質環(huán)境采集子系統(tǒng)的中心站進行響應處理。

2 采集系統(tǒng)

2.1 北斗接口模塊 主控端與北斗定位通信模塊連接如圖3所示。BDG-MF-06型數(shù)據(jù)傳輸終端主要是針對遠程數(shù)據(jù)采集自動傳輸領域設計的一款北斗終端產(chǎn)品。它采用的是標準的RS232接口，參數(shù)如下:

①傳輸速率:119 200 bps。

②傳輸格式:1 bit開始位，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit停止位。

2.2 軟件處理流程 該系統(tǒng)由分站模塊和中心站模塊兩部分組成，2個模塊之間采用無線通信模塊進行組網(wǎng)通信。其中分站模塊，主要用于響應中心站指令請求，進行水質數(shù)據(jù)采集工作，同時將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由三無線通信模塊發(fā)送回中心站。中心站模塊工作流程如圖4所示。

圖3 北斗定位通信模塊連接示意

(1)中心站定時器計時到時，各分站下發(fā)定時采集指令，各分站實時采集水質數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)反饋給中心站，中心站選擇短信息或北斗將各分站采集的水質數(shù)據(jù)信息傳送到地面數(shù)據(jù)中心。

(2)中心站接收到地面數(shù)據(jù)中心實時采集指令后，給各分站下發(fā)實時采集指令，分站接收指令后，采集水質數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)反饋給中心站，中心站選擇短信息或北斗將各分站采集的水質數(shù)據(jù)信息傳送到地面數(shù)據(jù)中心。

(3)中心站接收到地面數(shù)據(jù)中心參數(shù)修改指令，及時修改采集計時數(shù)據(jù)或其他采集參數(shù)。

圖4 采集中心站工作流程

3 數(shù)據(jù)接收中心

數(shù)據(jù)接收中心分別處理深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域的水質數(shù)據(jù)信息和用戶發(fā)送的管理指令信息，將采集到的水質數(shù)據(jù)經(jīng)解析處理后，存入水質因子數(shù)據(jù)庫，以供分析預警;而用戶管理指令分為查詢指令和參數(shù)修改指令2種，其中查詢指令主要為要求環(huán)境采集系統(tǒng)實時響應采集、當前參數(shù)信息和系統(tǒng)運行狀態(tài)，參數(shù)修改指令主要為要求環(huán)境采集系統(tǒng)實時修改系統(tǒng)參數(shù)。其執(zhí)行流程分別如圖5和圖6所示。

圖5 采集數(shù)據(jù)接收流程

圖6 用戶指令執(zhí)行流程

圖7 試驗數(shù)據(jù)

圖8 溫度數(shù)據(jù)曲線示意

4 試驗結果

試驗地點位于東海島養(yǎng)殖基地，實驗時間為2個月以上，試驗主要進行北斗“短信息”數(shù)據(jù)誤碼率、失敗率、重傳率和水質數(shù)據(jù)示意。數(shù)據(jù)中心采集系統(tǒng)如圖7所示，試驗結果數(shù)據(jù)如圖8、9所示。

圖9 溶解氧、pH值數(shù)據(jù)曲線示意

整個試驗過程中，采集數(shù)據(jù)誤碼率約為0.09%，失敗重傳率約為0.23%。試驗結果顯示，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，通信可靠，設計方案可行。

5 討論

傳統(tǒng)的水質數(shù)據(jù)采集方式，受制于移動網(wǎng)絡覆蓋范圍，或受制于人力成本，無法實時采集。為此，該研究探討了利用北斗導航衛(wèi)星的全方位覆蓋和“短信息”報文服務，提出建立一種可靠、快捷的水質數(shù)據(jù)采集方案，為探索深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖投料、藥物等可能對環(huán)境的影響提供了有效的研究數(shù)據(jù)，為后續(xù)水質環(huán)境保護和預警奠定了基礎。

［1］張漢華，梁超愉，吳進鋒，等.大鵬灣深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)的污損生物研究［J］.中國水產(chǎn)科學，2003，10(5):414 －418.

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