邢旭峰,王剛,李明智,陳勇,田濤

(1.廣東海洋大學數(shù)學與計算機學院,廣東湛江524088;2.大連海洋大學科技處,遼寧大連116023;2.大連海洋大學航海與船舶工程學院,遼寧大連116023;4.大連海洋大學海洋科技與環(huán)境學院,遼寧大連116023)

海洋牧場環(huán)境信息綜合監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

邢旭峰1,王剛2,李明智3,陳勇4,田濤4

(1.廣東海洋大學數(shù)學與計算機學院,廣東湛江524088;2.大連海洋大學科技處,遼寧大連116023;2.大連海洋大學航海與船舶工程學院,遼寧大連116023;4.大連海洋大學海洋科技與環(huán)境學院,遼寧大連116023)

為實時掌握海洋牧場環(huán)境參數(shù)的動態(tài)變化和養(yǎng)殖生物的活動狀態(tài),采用海洋環(huán)境因子及水下影像采集和傳輸技術(shù),以自制浮標平臺為載體,在有效解決多路傳感器數(shù)據(jù)并行采集及遠程傳輸、水下攝像頭承載裝置的防水密封、水下影像數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)汝P鍵技術(shù)的基礎上,研發(fā)了海水養(yǎng)殖環(huán)境信息綜合監(jiān)測系統(tǒng)。結(jié)果表明:該系統(tǒng)同時調(diào)用多個串口進行數(shù)據(jù)采集,能保證在一個時間節(jié)點上多參數(shù)水質(zhì)數(shù)據(jù)的及時采集和準確性;采用丁腈橡膠材料構(gòu)成的壓緊螺母式電纜密封裝置能有效防止海水的滲漏和腐蝕;解碼板的分辨率設置為QCIF或者CIF模式,最大碼率設置為120 kbps,幀率設置為8～15時,圖像的流暢和清晰度較為適中。研究表明,該系統(tǒng)可用于海洋牧場水環(huán)境因子監(jiān)測和水下養(yǎng)殖生物實時監(jiān)測。

海洋牧場;浮標平臺;數(shù)據(jù)遠傳;海洋環(huán)境信息;影像信息

1 總體設計與基本工作原理

1.1 總體設計

海洋牧場環(huán)境信息綜合監(jiān)測系統(tǒng)由一個浮標平臺上搭載的兩套子系統(tǒng)組成,一套用于養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測,另一套用于水下生物實時監(jiān)測,以實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)實時獲取和水下影像觀測,獲取更加完整的海洋環(huán)境和水下生物信息。整套系統(tǒng)主要包括:浮標平臺、水質(zhì)參數(shù)探測儀器組、水下攝像裝置、數(shù)據(jù)傳送模塊、影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務器、數(shù)據(jù)接收存儲服務器、WEB服務器等,系統(tǒng)總體構(gòu)成見圖1。

圖1 海洋牧場環(huán)境信息綜合監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)成示意圖Fig.1 Illustration of a comprehensive monitoring system on enviromental information in sea ranching

1.2 基本工作原理

1.2.1 海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子實時監(jiān)測子系統(tǒng)整個子系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示,由3大模塊組成: (1)數(shù)據(jù)采集傳輸模塊; (2)數(shù)據(jù)接收與存儲模塊;(3)數(shù)據(jù)訪問模塊。其基本工作原理為:以浮標平臺為載體,對海水溫度、鹽度、濁度、葉綠素、pH和風速風向等海洋牧場綜合環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集,然后利用DTU(data transfer unit)把采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳送到指定的服務器上。通過數(shù)據(jù)接收與存儲模塊,接收遠程數(shù)據(jù)采集傳送模塊發(fā)送的實時監(jiān)測數(shù)據(jù),經(jīng)過分析整理后,將這些數(shù)據(jù)保存在服務器數(shù)據(jù)庫中。

1.2.2 水下生物實時監(jiān)測子系統(tǒng) 整個子系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示,該子系統(tǒng)主要由水下影像采集傳輸模塊、影像轉(zhuǎn)發(fā)控制模塊和訪問模塊組成。其基本工作原理為:水下攝像裝置通過3G無線網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡將影像數(shù)據(jù)發(fā)送至影像轉(zhuǎn)發(fā)服務器,用戶通過Internet網(wǎng)絡訪問影像轉(zhuǎn)發(fā)服務器,即可獲取遠程水下影像,并遠程控制水下攝像頭的運動,實現(xiàn)遠程控制攝像頭的變焦、光圈和云臺運動。水下攝像裝置自帶儲存模塊,可定時錄制水下影像,并可按要求將影像資料通過Internet網(wǎng)絡上傳至用戶指定的FTP服務器中。

圖2 海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子實時監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Real time monitoring system of mariculture environment factors

圖3 水下生物視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagrammatic sketch of a underwater video monitoring system

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)采集裝置

由于水質(zhì)數(shù)據(jù)采集裝置需要長時間在海上運行,運行環(huán)境高鹽、高濕,溫差較大,因此,要求數(shù)據(jù)采集裝置能夠抵抗惡劣環(huán)境,低功耗且運行穩(wěn)定。經(jīng)過對比測試,選擇了MOXA UC-7400嵌入式工業(yè)計算機作為數(shù)據(jù)采集裝置,該設備具備8個RS-232/422/48串口,可以連接多個水質(zhì)探頭,以實現(xiàn)多路傳感器數(shù)據(jù)并行采集。

程序流程如下:(1)各類傳感器、DTU等設備平時處于掉電休眠狀態(tài),按設置的時間周期激活傳感器工作;(2)為清除水下傳感器探頭附著物,保證數(shù)據(jù)準確,采集數(shù)據(jù)前向各水下傳感器發(fā)送一次自潔命令,傳感器探頭會執(zhí)行一次自潔動作,并回傳一個自潔裝置的狀態(tài)參數(shù);(3)向各傳感器發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令,并接收傳感器回傳的數(shù)據(jù);(4)將各傳感器的自潔狀態(tài)參數(shù)和回傳的數(shù)據(jù)打包,發(fā)送到DTU模塊;(5)DTU在通電后,向遠程數(shù)據(jù)中心發(fā)出上線申請,并建立數(shù)據(jù)鏈路,DTU將數(shù)據(jù)包通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)中心并保存到數(shù)據(jù)庫中;(6)將各類傳感器斷電休眠,開啟下一次讀取周期的計時,待到下一周期時再次開啟上述過程。傳送至數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)包含了環(huán)境因子數(shù)據(jù)及各傳感器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù),這樣在獲取數(shù)據(jù)的同時,能夠掌握傳感器的工作狀態(tài)。多串口數(shù)據(jù)并行采集系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 多串口數(shù)據(jù)并行采集系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flowing chart of a multi port data acquisition system

2.2 水下攝像裝置

在攝像頭選擇方面,由于水下光照強度較弱,攝像頭對光線的敏感度有較高的要求。本系統(tǒng)中水下攝像裝置中攝像頭采用 Sony 1/4"Exview HAD CCD,該攝像頭最低照度為0.7 lx,黑白照度最低可達0.001 lx,在水質(zhì)較清澈的區(qū)域,正常日光未加補光燈的情況下,也能取得較好的效果。攝像頭采用12V直流供電,可直接用蓄電池供電,不需要額外做電路的改動。

攝像頭水下密封裝置。水下攝像裝置的頭部和尾部均需要密封。對于水下攝像裝置頭部密封,可利用 “O”型圈密封方式。其原理是在擰緊螺栓時,“O”型圈受到壓力并對接觸面產(chǎn)生壓力,當密封腔充入液體后,在液體壓力的作用下, “O”型圈發(fā)生位移,且與凹槽擠壓發(fā)生型變,封閉了密封間隙,從而實現(xiàn)無泄漏密封。

水下攝像裝置尾部需與蓄電池連接,故連接線需從外殼引出,引出線與外殼處的防水密封不同于只加 “O”型密封圈的靜密封,其結(jié)構(gòu)比靜密封更加復雜,因為引出線可伸向任何方向。為此,本系統(tǒng)中設計了一種安全可靠的尾部密封裝置——壓緊螺母式電纜密封裝置,其結(jié)構(gòu)主要由組合式密封圈、外螺紋螺栓、內(nèi)螺紋螺帽等組成。安裝時將電纜穿過組合式密封圈 (材質(zhì)為丁腈橡膠材料),并將密封圈放入螺栓密封槽中,其槽邊倒角為10°～20°,通過螺帽壓緊密封圈。

2.3 解碼板參數(shù)設置

由于目前國內(nèi)WCDMA業(yè)務不對一般用戶提供固定IP地址服務,因此,使用3G網(wǎng)絡進行視頻傳送時,需要搭建有固定IP地址的視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務器。如果沒有固定IP地址,也可以使用DDNS服務,并將服務器的IP地址、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)端口映射到公網(wǎng)上。

視頻網(wǎng)絡編碼板將接收到的模擬信號壓縮編碼為數(shù)字信號后,通過3G網(wǎng)絡傳送至有固定IP地址的轉(zhuǎn)發(fā)服務器上,用戶登錄視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務器后,即可獲取遠程水下視頻影像。由于視頻數(shù)據(jù)量較大,如果視頻采樣率設置較高,通過3G網(wǎng)絡傳輸時會存在一定的延時。經(jīng)反復實際測試,分辨率設置為QCIF或CIF模式,最大碼率設置為120 kbps,幀率設置為8～15幀時,圖像的流暢和清晰度較為平衡。圖5為水下視頻拍攝到的魚群巡游和海參養(yǎng)殖圈里投放誘捕餌料后海參聚集的影像。

2.4 浮標平臺的結(jié)構(gòu)設計

海上浮標平臺是海中養(yǎng)殖水域水質(zhì)采集系統(tǒng)各種設備的搭載平臺,考慮到海況復雜,需要一款能夠抵御惡劣自然環(huán)境,抗腐蝕、韌性好,能在海水環(huán)境中長期使用且價格適中的產(chǎn)品。相關資料顯示,當碳鋼中的鉻含量超過17%時,就可以在海水中不銹,具有抗腐蝕能力。因此,本試驗中選用304不銹鋼作為浮標平臺的主要制造材料,并在浮標平臺外面加裝了一層玻璃鋼防銹外殼,以進一步加強浮標平臺的防水密封性和防腐蝕性,同時也可延長浮標平臺的使用壽命。浮標平臺的形狀及其在海中的狀態(tài)見圖6。

圖5 水下視頻圖像Fig.5 Underwater video images

圖6 浮標平臺Fig.6 Buoy platforms

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)構(gòu)架

數(shù)據(jù)中心要接收浮標平臺通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送來的海洋養(yǎng)殖環(huán)境信息參數(shù),并將接收到的數(shù)據(jù)加以驗證、處理,存放到數(shù)據(jù)庫中,之后以圖形或表格的形式將數(shù)據(jù)展示給用戶,并為有相應權(quán)限的用戶提供數(shù)據(jù)的下載。其工作原理為:數(shù)據(jù)中心接收程序不斷監(jiān)聽與DTU設備通信相對應的端口信號,監(jiān)控DTU連接狀態(tài),在發(fā)現(xiàn)DTU設備的連線請求后,核對DTU身份信息,如身份信息符合,向DTU回傳已登錄成功的信息,此時數(shù)據(jù)中心與DTU建立了數(shù)據(jù)通信鏈路。DTU在接到數(shù)據(jù)中心登錄成功的消息后,將數(shù)據(jù)采集器采集的環(huán)境因子數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心,此時數(shù)據(jù)中心程序發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)到達并對數(shù)據(jù)進行校驗,如數(shù)據(jù)符合約定的數(shù)據(jù)包協(xié)議格式,就將數(shù)據(jù)校驗后拆包,按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式存入數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)中心接收程序流程見圖7。

3.2 WEB數(shù)據(jù)發(fā)布

數(shù)據(jù)發(fā)布程序采用瀏覽器/服務器模式 (Browser/Server,B/C),用戶通過瀏覽器即可訪問海洋環(huán)境因子數(shù)據(jù)網(wǎng)站。WEB發(fā)布程序采用C#語言開發(fā),主要功能是將浮標平臺所載的各類傳感器采集的海洋牧場環(huán)境因子參數(shù)以圖形及表格的形式展示給用戶,并為有權(quán)限的用戶提供數(shù)據(jù)下載服務。圖8是海水環(huán)境因子數(shù)據(jù)界面。

圖7 數(shù)據(jù)中心接收程序流程圖Fig.7 The flowing chart of receiving information from a data center

圖8 海水環(huán)境因子數(shù)據(jù)界面Fig.8 The interface of water environmental factor data

4 結(jié)語

本研究中介紹了海上浮標平臺的材質(zhì)選型和結(jié)構(gòu)設計,以及以該浮標平臺為載體的環(huán)境信息綜合監(jiān)測系統(tǒng)的軟件、硬件組成。該系統(tǒng)應用在海洋牧場環(huán)境區(qū)域,可以同時接收處理一個或多個浮標平臺所載傳感器采集的環(huán)境因子數(shù)據(jù)及水下視頻影像數(shù)據(jù),以此觀測海洋牧場建設狀況,以及在對海洋牧場海域生態(tài)環(huán)境的修復過程中,監(jiān)測海域內(nèi)海水的水質(zhì)參數(shù)、變化規(guī)律和水下生物的生長活動情況。

[1] 麥康森,徐皓,薛長湖,等.開拓我國深遠海養(yǎng)殖新空間的戰(zhàn)略研究[J].中國工程科學,2016,18(3):90-95.

[2] 于會娟,王金環(huán).從戰(zhàn)略高度重視和推進我國海洋牧場建設[J].農(nóng)村經(jīng)濟,2015(3):50-53.

[3] 楊紅生.我國海洋牧場建設回顧與展望[J].水產(chǎn)學報,2016, 40(7):1133-1140.

[4] 田濤,陳勇,陳辰,等.獐子島海洋牧場海域人工魚礁區(qū)投礁前的生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評估[J].大連海洋大學學報,2014,29(1): 75-81.

[5] 陳勇,溫澤民,尹增強,等.遼寧大長山海洋牧場擬建海域表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風險的評價[J].大連海洋大學學報, 2015,30(1):89-95.

[6] 范麗民,于紅,駱桂爽.基于三角網(wǎng)格和模糊聚類的海洋牧場溫度可視化[J].計算機應用與軟件,2012,29(3):228-231.

[7] 袁曉慶,孔箐鋅,李奇峰,等.水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)的應用評價方法[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2015,31(4):258-265.

[8] 陳中華.基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用[D].上海:上海海洋大學,2012:3-5.

[9] 蔡勵勛.海洋多參數(shù)水質(zhì)在線自動連續(xù)監(jiān)測浮標的應用[J].中國水產(chǎn),2008(4):57-59.

[10] 花俊,胡慶松,李俊,等.海洋牧場遠程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設計和實驗[J].上海海洋大學學報,2014,23(4):588-593.

[11] 趙聰蛟,周燕.國內(nèi)海洋浮標監(jiān)測系統(tǒng)研究概況[J].海洋開發(fā)與管理,2013(11):13-18.

[12] 崇慶峰,劉星橋,宦娟,等.基于Android和GPRS的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2013,40(6):24-29.

[13] 卜峰,李傳江,李歡,等.基于GOS/GPRS的客車遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2014,22(1):79-81.

[14] 付存宇.基于3G網(wǎng)絡的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].計算機與現(xiàn)代化,2013(4):184-186,192.

[15] 張凱,劉健,鄧平,等.水下采油輸油管懸掛器密封技術(shù)研究與發(fā)展趨勢[J].石油機械,2014,42(11):115-119.

[16] 張新成,李慶亮,吳相林,等.基于GPRS遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計,2006,27(14):2561-2563.

Development of a comprehensive monitoring system on environmental information in sea ranching

XING Xu-feng1,WANG Gang2,LI Ming-zhi3,CHEN Yong4,TIAN Tao4

(1.Faculty of Mathematics and Computer Science,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China;2.Science and Technology Department, Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;3.College of Navigation and Ship Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China; 4.College of Marine Science and Environment,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

A comprehensive monitoring system was developed for real-time acquiring mariculture environmental information and real-time observation of cultured living beings and behavior in sea ranching.In the system,all sensors and other components were carried on a homemade buoy platform,and some key technical issues were effectively resolved including multi-sensor signals data parallel acquisition,remote transmission of data and underwater videos and camera waterproofing&O-ring sealing.The trials showed that simultaneous calling multiple serial ports for data collection ensured timeliness and accuracy of multiple water quality parameters data acquisition.Utilization of nitrile rubber as sealing materials effectively prevented the water leakage and corrosion,and observation of relatively smooth and clear picture were conducted by setting decoding resolution option to QCIF or CIF mode,with maximum bitrate of 120 kbps and frame rate of 8-15.The findings can be used in real-time observation of underwater cultured organisms and environment monitoring in sea ranching areas.

sea ranching;buoy platform;data remote transmission;marine environmental factor;underwater video

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.01.018

2095-1388(2017)01-0105-06

P715< class="emphasis_bold">文獻標志碼:A

A

2016-05-05

國家海洋公益性行業(yè)科研專項 (200805030);廣東海洋大學科研啟動經(jīng)費資助項目 (E16187);國家科技支撐計劃項目(2012BAD18B00,2013BAD23B02)

邢旭峰 (1972—),男,講師。E-mail:76190286@qq.com

目前,海水養(yǎng)殖已成為對食品安全、國民經(jīng)濟和貿(mào)易平衡做出重要貢獻的產(chǎn)業(yè)[1]。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對優(yōu)質(zhì)海產(chǎn)品的需求不斷增加,傳統(tǒng)的粗放消耗式漁業(yè)生產(chǎn)方式,已導致中國大多數(shù)海域生態(tài)嚴重受損,并隨之出現(xiàn)水產(chǎn)生物病害嚴重、養(yǎng)殖環(huán)境惡化等問題,嚴重制約了中國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展[2-3]。海洋牧場是指在一個特定的海域里,為了有計劃地培育和管理漁業(yè)資源而設置的人工漁場,其較好地實現(xiàn)了漁業(yè)工程技術(shù)與生態(tài)漁業(yè)的結(jié)合,實現(xiàn)了經(jīng)濟、生態(tài)、資源可持續(xù)發(fā)展的理念[4-5]。

海洋牧場環(huán)境監(jiān)測以及水下養(yǎng)殖生物實時監(jiān)測是海洋牧場建設的重要方向之一。隨著計算機、網(wǎng)絡、傳感器技術(shù)的發(fā)展,以浮標平臺為載體,以無線網(wǎng)絡為傳輸通道的無線網(wǎng)絡傳感器水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)研究取得了較大的進展和較為普及的應用[6-7],但是無線網(wǎng)絡水質(zhì)監(jiān)測平臺大多針對池塘、水庫和湖泊養(yǎng)殖設計,或是針對大尺度海洋環(huán)境監(jiān)測要素設計[8-9],而面向海洋牧場的多要素綜合監(jiān)測系統(tǒng)為數(shù)不多,此外,水下觀測的實時影像采集途徑,主要是使用拖拽式水下影像設備進行人工現(xiàn)場采集,未能實現(xiàn)在線監(jiān)測方式?；〉萚10]設計了一套海洋牧場遠程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)主要針對海洋牧場中海水溫度、pH、濁度和溶解氧等環(huán)境要素進行監(jiān)測,關鍵技術(shù)采用太陽能供電,未包含水下生物監(jiān)測部分,但僅在湖水中做過測試,事實上,湖水和海水在水文特性上具有較大差異,因此,研制和推廣可應用于獲取海洋牧場多環(huán)境參數(shù)和水下生物信息的監(jiān)測系統(tǒng),有著重要的現(xiàn)實意義。

浮標是實現(xiàn)海洋牧場環(huán)境監(jiān)測與水下生物圖像檢測的良好載體,可實現(xiàn)自動、長期、連續(xù)收集海洋環(huán)境資料的功能,即使在惡劣環(huán)境中,在其他現(xiàn)場監(jiān)測手段均難以或無法實施監(jiān)測的時候,海洋浮標仍能有效工作[11]。GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和3G無線網(wǎng)絡在實時監(jiān)測與監(jiān)控系統(tǒng)中已經(jīng)得到成功的應用[12-14],用該技術(shù)實現(xiàn)在浮標平臺上實時數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已經(jīng)非常成熟,面臨的問題是多源傳感器并行數(shù)據(jù)采集。另外,水下攝像機密封技術(shù)尚未得到很好的解決[15]。為此,本研究中以自制浮標平臺為載體,在有效地解決多路傳感數(shù)據(jù)并行采集及遠程傳輸、水下攝像頭承載裝置的防水密封、水下影像數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)汝P鍵技術(shù)的基礎上,研發(fā)了面向海洋牧場的養(yǎng)殖環(huán)境信息綜合監(jiān)測系統(tǒng),包括環(huán)境因子遠程實時監(jiān)測和水下生物實時觀測兩大功能。