劉培學(xué)，劉紀(jì)新，姜寶華，陳玉杰

(青島黃海學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266427)

溶氧(DO)、pH、氨氮、溫度等參數(shù)對(duì)海水養(yǎng)殖魚類、貝類生長(zhǎng)具有至關(guān)重要的作用[1-3]。近年來，海參、鮑魚等海洋養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)逐漸規(guī)模化和集約化。為了追求經(jīng)濟(jì)效益，養(yǎng)殖密度不斷加大，導(dǎo)致了海洋養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境的惡化，影響到了養(yǎng)殖生物的生長(zhǎng)發(fā)育，病害時(shí)有發(fā)生，養(yǎng)殖戶經(jīng)濟(jì)效益受損，且養(yǎng)殖區(qū)域需人員長(zhǎng)期駐守，浪費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力[4-6]?；诖?，海洋養(yǎng)殖自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的研究逐漸興起。隨著傳感器技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)海洋養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)如pH、溫度、溶氧等進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控提供了可能。目前，海水養(yǎng)殖自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化程度較低，存在著有線檢測(cè)布線復(fù)雜、監(jiān)測(cè)點(diǎn)不易移動(dòng)、數(shù)據(jù)傳輸速率慢、客戶端/服務(wù)器(C/S)架構(gòu)設(shè)備價(jià)值較高以及采集點(diǎn)過于單一等問題[7-10]。研究適合大規(guī)模養(yǎng)殖、能夠進(jìn)行移動(dòng)監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程查看的海水養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義[11]。

本研究基于小型無人船結(jié)合長(zhǎng)距離無線通信(Lora)、第4代移動(dòng)通信(4G)傳輸模塊，設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)的海洋養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)巡檢養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)水質(zhì)參數(shù)，并將采集的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到云端，終端用戶通過瀏覽器就可以查詢觀測(cè)養(yǎng)殖場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，方便易用，且動(dòng)態(tài)采集多點(diǎn)信息，使監(jiān)控更加精細(xì)化。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，分為采集終端、云端和客戶端三部分。采集終端為攜帶有傳感器及信號(hào)傳輸設(shè)備的小型無人船，云端包含帶數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器，客戶端為岸基電腦(PC機(jī))或用戶手機(jī)。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

首先，云平臺(tái)或客戶端給出采集點(diǎn)坐標(biāo)，無人船根據(jù)給出的采集點(diǎn)信息，自動(dòng)規(guī)劃路徑，按照規(guī)劃的路徑形式，依次采集各個(gè)采集點(diǎn)的信息，包含pH、溫度、溶氧等。采集完成后，無人船通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至云平臺(tái)，云平臺(tái)完成信息的接收及存儲(chǔ)，同時(shí)向無人船發(fā)送確認(rèn)信息，通過握手確保傳輸信息的可靠性。若4G網(wǎng)絡(luò)不存在，無人船通過Lora無線通信方式將信息傳至現(xiàn)場(chǎng)PC機(jī)；若存在Internet網(wǎng)路，可通過安裝在PC機(jī)的軟件將信息上傳至云平臺(tái)。同時(shí)，客戶端PC機(jī)或手機(jī)可通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)瀏覽采集數(shù)據(jù)，接收?qǐng)?bào)警信息等。

2　硬件設(shè)計(jì)

海洋養(yǎng)殖環(huán)境采集的信息一般有溫度、pH、溶氧等，主要完成指定區(qū)域的海水參數(shù)采集。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要安裝在無人船上，分為傳感部分及通信部分。

2.1　傳感器設(shè)計(jì)

傳感器設(shè)計(jì)如圖2所示，整個(gè)傳感器系統(tǒng)由控制器、pH傳感器、溶氧傳感器、溫度傳感器、時(shí)鐘模塊構(gòu)成。

圖2　傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體

無人船的控制核心為STM32 F103ZET6微控制器，該微控制器是由瑞士ST(意法半導(dǎo)體)公司研發(fā)的STM32系列中的一種32位處理器，具有256 K的程序存儲(chǔ)器和64 kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，完全能夠滿足本設(shè)計(jì)需要[12-14]。溫度傳感器選用防水性數(shù)字溫度傳感器18B20，該傳感器采用一線制通信，提供數(shù)字溫度信號(hào)，除供電引腳外，只需將數(shù)據(jù)引腳DQ連接到控制器的任一I/O口[15]。pH傳感器采用pH復(fù)合電極E-201-C，該傳感器采用5 V電壓，工作電流范圍為5～10 mA，pH檢測(cè)范圍為0～14，該傳感器工作溫度范圍為-10 ℃～+50 ℃，其輸出為模擬電壓量，具有良好的線性，因此其輸出需接到STM32本身自帶AD，采集的結(jié)果用公式(1)計(jì)算，X為采集的模擬電壓值，Y為輸出pH[16]。

Y=-5.964 7X+22.255

(1)

溶氧傳感器采用LDO工業(yè)在線熒光溶氧傳感器，該傳感器采用熒光檢測(cè)技術(shù)，通過檢測(cè)熒光強(qiáng)度和壽命來檢測(cè)溶氧值，較之傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器，該傳感器在測(cè)試過程中不消耗氧氣，沒有攪拌和控制流速過程，不需要電解質(zhì)溶液，也不需要標(biāo)定，使用方便[17-18]。該傳感器防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP68，工作電壓為寬電壓5～16 V，輸出信號(hào)為4～20 MA電流信號(hào)或0～5 V電壓信號(hào)，分辨力為0.01 mg/L。本設(shè)計(jì)中采用0～5 V電壓信號(hào)，信號(hào)輸出接入STM32自身攜帶AD轉(zhuǎn)換電路。

2.2　通信電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)有兩種通信方式，一種為無人船通過4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)將信息傳至云平臺(tái)，另一種為4G信號(hào)不存在時(shí)，通過Lora將信息傳至本地監(jiān)控PC，因此，無人船攜帶的通信設(shè)備有2種。通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示，整個(gè)通信系統(tǒng)由控制器、4G模塊及Lora模塊構(gòu)成。

圖3　通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4G模塊負(fù)責(zé)信息的遠(yuǎn)程傳輸，設(shè)計(jì)中采用了USR-LTE-7S4模塊，該模塊支持5模12頻移動(dòng)聯(lián)通電信4G高速接入，嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)，具有高度的可靠性， 支持RNDIS遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)接口，電腦可以通過USB連接該設(shè)備訪問互聯(lián)網(wǎng)，允許4個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接同時(shí)在線，支持TCP和UDP，每路連接可緩存10 kB串口數(shù)據(jù)，支持寬電壓范圍(5～16 V)，帶SIM卡槽，支持串口AT指令[19]。該設(shè)備連接到STM32控制器的第一串口。Lora模塊采用USR-L100-C模塊，該模塊工作頻率為398～525 MHz，典型值為470 MHz，傳輸距離可達(dá)4 700 m，工作電壓1.8 ～3.6 V，可通過AMS1117輸出需要的電壓，該模塊與STM32嵌入式控制器通過串口進(jìn)行通信，連接至控制器的第二串口[20]。

3　軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用4G技術(shù)、Lora技術(shù)，基于小型無人船采集pH、溫度、溶氧信息，軟件部分主要為無人船的巡航路徑規(guī)劃及信息的遠(yuǎn)程傳輸。

3.1　無人船路徑規(guī)劃

無人船船體較小，采用電池為動(dòng)力，而海洋養(yǎng)殖面需要采集多點(diǎn)參數(shù)，采集點(diǎn)位置通過上位機(jī)或者云平臺(tái)給出，節(jié)能體現(xiàn)在以最短的路徑將所有檢測(cè)點(diǎn)遍歷完畢，因此，選擇合適的遍歷路徑就顯得尤為重要。路徑規(guī)劃對(duì)無人船檢測(cè)海洋養(yǎng)殖環(huán)境具有重要意義，對(duì)進(jìn)一步監(jiān)測(cè)海水環(huán)境有著重要的理論價(jià)值，小型無人船的路徑規(guī)劃是本文討論的重點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)中，無人船的工作路徑規(guī)劃采用遺傳算法[21-22]，無人船的工作環(huán)境為海表面，根據(jù)海洋養(yǎng)殖環(huán)境的特點(diǎn)，建立二維笛卡爾坐標(biāo)系(x，y)下離散柵格空間。Δx、Δy分別為x、y軸方向柵格的大小。柵格中任一點(diǎn)q可定義為:

q=q(i，j)，0≤i

(2)

式中：m、n—分別為x、y軸方向的最大柵格個(gè)數(shù)。

將二維平面空間進(jìn)行柵格化處理，每個(gè)柵格為邊長(zhǎng)1 km的正方形，任意一個(gè)采集點(diǎn)i的坐標(biāo)為(xi,yi),則問題轉(zhuǎn)化為計(jì)算從海洋養(yǎng)殖無人船?？奎c(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過所有采集點(diǎn)，采集信息后回到?？奎c(diǎn)的最短路徑。本文通過定義一個(gè)距離來表示兩者之間的實(shí)際距離，距離的定義主要考慮了兩個(gè)區(qū)域之間的直線距離，距離定義為

(3)

式中：L—兩點(diǎn)之間的距離；xi、yi—采集點(diǎn)i的坐標(biāo);xj、yj—采集點(diǎn)j的坐標(biāo)。

對(duì)每個(gè)個(gè)體路徑評(píng)估，采用路徑距離作為適應(yīng)度，即將每條路線先后經(jīng)過的檢測(cè)點(diǎn)的距離計(jì)算出來，并進(jìn)行累加，作為該條路徑的適應(yīng)度函數(shù)。二維平面中，假設(shè)任意一個(gè)個(gè)體的第i段路徑是由節(jié)點(diǎn)(xi-1,yi-1)、(xi,yi)連接而成，計(jì)算出它的長(zhǎng)度為di，累加值越小的個(gè)體能量消耗越小，適應(yīng)度越強(qiáng)，表示的路徑越優(yōu)[23-24]。

(4)

式中：di—第i段路徑距離，E—路線總距離。

巡航路徑規(guī)劃如下：

①無人船等待上位機(jī)或岸基PC機(jī)的巡檢坐標(biāo)，將巡檢坐標(biāo)以數(shù)組形式存儲(chǔ)。

②種群初始化，種群中的個(gè)體是隨機(jī)產(chǎn)生的，每一個(gè)個(gè)體對(duì)應(yīng)一個(gè)備選的路徑。個(gè)體的產(chǎn)生為每個(gè)采集點(diǎn)經(jīng)過的順序。針對(duì)海洋養(yǎng)殖無人船路徑優(yōu)化問題的特點(diǎn)，采用十進(jìn)制編碼方案，使用各個(gè)需求點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)作為基因來組成染色體，每一條染色體的編碼為巡檢點(diǎn)出現(xiàn)先后順序。例如對(duì)于染色體X[1,6,3,4,5,2,7 ,8,20 ,9,…,16]。則無人船從原點(diǎn)出發(fā)，先經(jīng)過第一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，再到第6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，最后達(dá)到第16檢測(cè)點(diǎn)，然后回到原點(diǎn)，同時(shí)計(jì)算適應(yīng)度。

③選擇算子，選擇優(yōu)質(zhì)個(gè)體，淘汰部分適應(yīng)度差的個(gè)體的過程，此過程通常也被稱作復(fù)制或繁殖，本研究采用輪盤賭選擇。

④交叉算子，指將兩個(gè)相互配對(duì)的父代染色體按照某種方式相互交換其部分基因，生成兩個(gè)新的子代染色體的操作。為了保持種群的多樣性，本研究采用部分交叉方案，染色體具有不能重復(fù)及不能漏檢的特殊性，當(dāng)交叉算子應(yīng)用于父代個(gè)體X1 和X2 時(shí)，首先從父代個(gè)體X1 和 X2 中隨機(jī)選擇交換區(qū)間I到J，然后將X1中 I后面J前面的基因和X2中對(duì)應(yīng)位置的基因逐位交叉，由于該路徑所有點(diǎn)必須都經(jīng)過，為避免出現(xiàn)漏點(diǎn)及重復(fù)點(diǎn)，交換后必須將原染色體中跟交換進(jìn)來的元素相等的位置變?yōu)榻粨Q出去的數(shù)據(jù)，交換完成形成兩個(gè)新的染色體，最后檢測(cè)染色體合法性，若染色體不合法轉(zhuǎn)到步驟③，合法轉(zhuǎn)步驟⑤。

⑤變異算子，依照變異概率，隨機(jī)選取染色體任意兩個(gè)位置，進(jìn)行互換操作，這樣做的好處是保證了染色體的合法性。

⑥判斷迭代次數(shù)是否達(dá)到設(shè)定值，若未達(dá)到，轉(zhuǎn)步驟①，若達(dá)到，開始巡檢。

路徑規(guī)劃流程如圖4所示。

圖4　路徑規(guī)劃流程圖

3.2　無人船主程序

無人船主程序流程圖如圖5所示。

圖5　無人船主程序流程圖

系統(tǒng)通電后，首先進(jìn)行傳感器的初始化，傳感器的初始化主要為AD轉(zhuǎn)換電路的初始化，用于取得各信息采集點(diǎn)的pH、溫度、溶氧等參數(shù)，隨后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化主要為串口通信波特率的設(shè)定等，判斷有無4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，然后等待上位機(jī)發(fā)來的巡檢命令，當(dāng)無人船接收到巡檢命令時(shí)，按照上述算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，隨后按照規(guī)劃路徑進(jìn)行巡檢，同時(shí)將采集信息顯示在無人船自身攜帶的液晶屏上，巡檢結(jié)束后，根據(jù)設(shè)定將數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳至云平臺(tái)或等待上位機(jī)命令上傳。本系統(tǒng)的云平臺(tái)采用公用云平臺(tái)TLINK，PC機(jī)軟件采用VB6.0設(shè)計(jì)。

4　系統(tǒng)測(cè)試

4.1　路徑規(guī)劃測(cè)試

路徑規(guī)劃測(cè)試采用仿真進(jìn)行，仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置養(yǎng)殖空間二維柵格大小為1 km×1 km，巡檢點(diǎn)隨機(jī)生成20個(gè)，遺傳算法初始化種群選用個(gè)體100個(gè)，交叉概率為0.9，變異概率為0.4，無人船起點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)為a(0，0)，迭代次數(shù)500代。優(yōu)化過程如圖6所示。

圖6　優(yōu)化過程圖

從圖6中可以看出，在約150次迭代后，最優(yōu)值逐漸趨于穩(wěn)定，最優(yōu)路徑規(guī)劃如圖7所示，其中，由圓點(diǎn)連接的路徑為規(guī)劃的路徑，其行駛總距離大于40 km，較之優(yōu)化開始時(shí)隨機(jī)生成的路徑最優(yōu)值大于80 km，較大地提高了效率。

圖7　規(guī)劃路徑圖

4.2　數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

在某海參養(yǎng)殖場(chǎng)搭建測(cè)試系統(tǒng)采集參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)對(duì)比器具采用NOBOTECH智能水質(zhì)檢測(cè)儀，數(shù)據(jù)采集誤差結(jié)果如表1所示，可以看出，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值誤差較小，具有較高的一致性。溫度誤差較小，最高偏差為0.5 ℃，pH、溶氧與標(biāo)準(zhǔn)值誤差也相對(duì)集中，可采用軟件修正方式進(jìn)行修正。

表1　數(shù)據(jù)測(cè)量誤差

5　結(jié)論

基于4G、Lora技術(shù)、遺傳算法，設(shè)計(jì)了一種海洋養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)小型無人船，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了海洋養(yǎng)殖環(huán)境的無人自主巡檢，配合云服務(wù)器及PC端軟件，可實(shí)現(xiàn)采集信息的遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)控，無需復(fù)雜布線且無人船能夠自主規(guī)劃路徑，提高了監(jiān)測(cè)效率。同時(shí)，該系統(tǒng)采用的技術(shù)可以為其他養(yǎng)殖行業(yè)提供參考，方便易用，具有一定的應(yīng)用前景及經(jīng)濟(jì)效益。

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