基于GY-30的集鱼灯多点同步无线测光系统设计

王伟杰， 叶 超， 卢克祥， 孔祥洪， 钱卫国,

(1 国家远洋渔业工程技术研究中心，上海 201306；2 上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；3 上海海洋大学物理实验中心，上海 201306)



基于GY-30的集鱼灯多点同步无线测光系统设计

王伟杰1， 叶 超2， 卢克祥2， 孔祥洪3， 钱卫国1,2

(1 国家远洋渔业工程技术研究中心，上海 201306；2 上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；3 上海海洋大学物理实验中心，上海 201306)

集鱼灯实地光照数据量大，现有测试设备因船体摇摆和潮位变动等因素造成较大的数据误差。为降低测试过程中数据误差较大的问题，设计了一种新型测试系统，使用CC2530单片机为照度测试的下位机，采用GY-30模块为光强检测元件，以Zigbee作为主控器与终端设备之间的无线通讯方式。系统实施过程为：当光子投射到GY-30模块时，会产生对应大小的电流，电流经电路放大后被终端CC2530采集，该模块将数据发送至网络中的协调器，协调器通过USB与PC上位机连接并传输测试数据。结果显示，以单次测试样本7×6数据量为例，按照传统测试方法耗时约为120 min，而使用新系统可缩短至20 min，在数据准确度方面也有大幅提高。利用新系统测试大面积的光场分布，在一定程度上能减少误差，同时可减少灯光测试的重复性操作。

集鱼灯；测试系统；多点测试；Zigbee；GY-30

近30年来，我国光诱渔业迅速发展，目前已成为重要的支柱产业[1-2]。集鱼灯作为光诱渔业中重要的捕捞辅助工具，被用于远洋鱿钓渔业、秋刀鱼渔业以及灯光罩网渔业等[3-7]。我国集鱼灯研制和推广工作目前仍处于起步阶段，相关研究工作主要包括：新型灯具的光学特性研究，侧重灯具光强分布曲线和光谱分布研究[8-10]；灯具使用效果验证研究，侧重不同光色、光强对捕捞效果和光场分布是否存在影响及影响程度[6,11-16]。后者需要将灯具安装至作业船并测试船周围海面光亮区的光照强度。为了简化，测试工作常在码头进行，即将光诱渔船停靠在码头，利用码头陆地的光亮区域代替海面照度测试。在测试过程中，码头陆地上光亮区域的光照强度会因潮水涨落而发生变化。由于受到现有设备的限制，无法实现多点测试，所以数据误差较大，同时也非常耗时。本研究设计的集鱼灯多点同步无线测光系统可以解决上述问题。

1 无线同步传输测光系统方案设计

以码头作为模拟海面进行测试。在码头平面以网格形式布置若干测试节点，各测试节点有序地布置成X×Y的阵列形式。每个测试节点都有一个GY-30光照度传感器模块(其主控芯片是BH1750FVI)，每一行的光照度传感器的数据由该行组网的CC2530模块完成采集及发送。即每一行的测试节点由一个CC2530模块控制，各个测试节点同时测试每一行的数据，由该行的Zigbee模块处理并寻址标记顺序。

测试时打开集鱼灯，当光子冲击到GY-30硅光电的光照度传感器(图 1)阵列的一个节点上时，信号采集模块中光照度传感器接收处便会使硅光电池产生电流，其与光照度成正比，电流通过电路放大后传输给16位AD模块转换成数字信号；将BH1750采集到的数据，经接口I2C总线通讯接口读取传到CC2530单片机，单片机处理后将该信号转换为可读的光强度信号，并以对应此节点的地址信息为依据，对该光强度信号进行编码。终端CC2530上的所有测试节点的数据采集、处理和编址均在短时间内完成。

图1 无线同步传输测光系统方案示意图Fig.1 Schematic diagram of the wireless measurement system for monitoring luminance

各行的终端将该行完成编址后的光强度数据经Zigbee模块发送至网络中的协调器，再由协调器CC2530将数据发送回船上的接收端，接收端通过数据线USB接口与PC机连接，在上位PC机界面上实时以坐标的形式呈现。所有测试的光照度数据以时间和地址等序列存储在数据库中，方便随时调用和进行理论数据分析。系统方案如图 1所示。

为了解周围环境因素对测试的影响，保证数据的可靠性，在测试点网格群中添加温湿度传感器、风向传感器进行环境因素变量的监测。

2 硬件设计

2.1 CC2530行节点控制器

无线自组网集鱼灯同步测光系统的控制器采用CC2530，是TI公司推出的增强型8051作为CPU的片上系统，能够以较低的成本建立强大的网络节点。由于具有高集成度和强大的功能，因此CC2530只需很少的外围设备，就可搭建无线自组网络系统。

2.2 Zigbee无线通信模块

单片机采用模拟串口的方式与ZigBee协调器通信。Zigbee终端节点和协调器的最大通讯距离为200 m，在200 m的地方加入一个节点设备作为协调器，因此终端就可以通过协调器转发，也就是说通讯距离可达400 m。Zigbee模块工作电路图如图2。

图2 Zigbee模块电路Fig.2 Circuit diagram of Zigbee module

2.3 GY-30光强度传感器

光传感器GY-30模块，其主控芯片为BH1750FVI，是集成电路，具有较高的灵敏性，能检测到大范围的照度(1 Lx～65 535 Lx)变化，电路板图如图 3所示。传感器有5个引脚，引脚分别是：总线时钟引脚(SCL)，I2C总线数据引脚(SDA)，参考电压(DVl)，供电电源端口(VCC)，公共接地端(GND)，定义地址端口(ADDR)。

图3 GY-30光强度传感器结构框图Fig.3 Structure diagram of GY-30 luminance sensor

由图3得出，高精度硅光电二极管PD的光强度传感器探测到外部光后，通过集成运算放大器将硅光电二极管PD的电流放大并转换为电压信号，再由16位模数转换器转换成数字信号，然后被BH1750FVI芯片的逻辑数据处理与存储。OSC为芯片内部的振荡器，提供内部逻辑时钟。我们通过相应的指令操作即可读取内部存储的光照数据，按照时序使用标准的I2C总线通信接口进行数据传输。但当多个BH1750FVI光强度传感器同时测试时，需要对ADDR引脚进行设置，接电源或接地决定了不同的设备地址。

2.4 协调器数据线与PC机接口电路

采用Prolific公司的PL2303芯片制作USB转串口电路(图4)。PL2303内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接几只电容就可实现USB信号与RS232信号的转换，该器件作为USB/RS232双向转换器，一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设，另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机[17-18]。

图4 CC2530-PL2303与USB转串口电路图Fig.4 Circuit diagram of transform interface between CC2530-PL2303 and USB

3 软件设计

3.1 CC2530数据读取和转化

传感器遵循I2C总线接口时序。首先，传感器上电后需要初始化，具体过程为：(1)先将SDA和SCL分别置为高电平；(2)延时约5微秒(μs)后，将SDA置为低电平；(3)延时约5 μs后，将SCL也置为低电平。随后，CC2530向传感器发送通电指令。最后发送一组停止时序，具体过程为：(1)将SDA置为低电平，SCL置为高电平；(2)延时约5 μs后，将SDA置为高电平，延时约5μs。

至此，传感器初始化结束，等待检测指令。当需要检测时，CC2530再向传感器发送一组启动时序，接着发送设备地址，当检测到传感器的应答信号后，便发送测试指令的功能代码。根据测试分辨率的不同，需要延时一段时间，待测试结束后，CC2530即可读取测试数据。测试结果是16位的，先传回的是高8位，然后是低8位，将测试结果转换成十进制数得出最终的光照强度值。

3.2 BH1750数据读取与转化

BH1750是GY-30模块的主控芯片，其与主控器之间的通讯使用标准的I2C通讯协议，主控器通过I2C接口向BH1750发送各种控制命令以及读取测试数据。

(1)主控器向BH1750发送控制命令步骤：主控器产生通讯启动信号；主控器发送8 bit的地址数据；主控器读取BH1750的应答信号；主控器发送8bit的命令数据；主控器读取应答；主控器产生停止信号。

(2)主控器从BH1750读取数据步骤：主控器产生通讯启动信号；主控器发送8bit的地址数据；主控器读取应答；主控器读取高8位数据；主控器产生应答信号；主控器读取低8位数据；主控器产生应答信号；主控器产生停止信号。

CC2530发送数据时，向TXFIFO中写入数据，无线电模块自动添加PHY层同步头和FCS，通过选通命令STXON或STXONCCA发送数据；数据接收完成时，产生RXPKTDONE中断，在中断服务程序中读取RXFIFO即可。

图5 系统工作流程图Fig.5 Working flowchart of the system

测试过程中，每一列的信号采集模块将采集到的数据发送至该列的终端(CC2530核心数据处理模块)，由该列的终端接收数据并进行编号处理之后以无线RF方式发送到一个协调器，再由协调器将数据通过USB接口传给上位机(图5)。上位机界面设计为可根据需求输出相应的数据，包括可实时显示当前各个测试节点的光照度和温度、湿度等环境数据。

4 对比试验验证

4.1 验证方案

2013年6月在浙江舟山的渔轮码头，使用集鱼灯无线同步传输测光系统对宁泰61号鱿钓渔船LED集鱼灯进行了光照度分布测试。渔船一侧布置了LED集鱼灯(300 W)50套(图6)。分布点为1～6行，每行测试点A～Q列。使用传统单探头照度计和同步测试系统两种方式进行测试。单探头测试方法是从第1行A列依次测试到Q列，然后再换一行继续进行，直到第6行Q列，每次均以一行为单位进行测试。

图6 灯光照度分布测试方案Fig.6 Scheme diagram of luminance test

4.2 验证结果

为探究同步测试方法的准确性，将数据做成等照度曲线图。参考钱卫国等[11]提出的光照度计算方法来制作等照度曲线分布图，同时将两种测试方法结果与模拟结果作对比。集鱼灯高度相对于测试面高度从2.5 m上升至3.5 m，耗时1 h，根据照度余弦定理可知照度变化值呈二次方递减。因此，利用传统方法测试的结果从A到G巡测，照度因灯具距离增大已经发生衰减，因此其等照度线越来越往船的方向靠近；而利用设计的同步测试系统进行测试，其结果与模拟结果趋势一致，但照度值均少于模拟值(图7)。

注：SZMN=数值模拟；CTFF=传统方法；TBSYS=同步测试系统

图7 测试数据与数值模拟数据的对比

Fig.7 Comparison of simulation result and the test data

5 讨论与结论

(1)多点同步无线测光系统以批量化来测试灯具光照区域的光照度，单次测试时间相对减少，但人工布置众多节点仍然耗时，因此，当新系统拓展至自然水域测试时，可利用无人遥控船等技术实现自动化布置测试点，同时测试光照和位置信息。

(2)多点同步无线测光系统以光照度为测试指标，考虑到不同光色对捕捞效果的影响[12，16]，因此系统可根据需求扩展颜色传感器等，系统所用的主控器CC2530芯片引脚可用来扩展不同类型的传感器。

(3)多点同步无线测光系统主要以海面照度测试为主，而部分学者侧重于水下集鱼灯效果验证研究[5,14,19-20]，本系统无法满足，后期需使用电缆等将传感设备延伸至水下。

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Design of the wireless multi-point synchronous luminance measurement system of fish-attracting lamps based on GY-30 module

WANG Weijie1,YE Chao2,LU Kexiang2,KONG Xianghong3,QIAN Weiguo1,2

(1NationalEngineeringResearchCenterforOceanicFisheries,Shanghai201306,China;2CollegeofMarineScience,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China;3ExperimentalCenterofPhysics,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

The data quantity involved in luminance field test using fish-attracting lamps is usually very large and with existing devices,luminance data may vary much due to ship swaying,wave surge and tide.In order to reduce data errors in the measurement,a wireless luminance measurement system was designed.The system uses CC2530 microcontroller as the lower control system,GY-30 module to detect the light intensity,and Zigbee module as the communication apparatus between the master control device and terminal control units.When the GY-30 module is projected with light,it will produce electric current of corresponding magnitude to that of the light.The electric current data will be collected by terminal CC2530 modules and sent to the network coordinator,which is linked to the master computer by USB and thus could further transmit the data.The results showed that,with the single test sample of 7×6 in size,the measuring time using traditional method was about 120 min,while with the new system,the time could be shortened to 20 min,and the accuracy of data was also improved significantly.Therefore,using the new system to measure the light field distribution of large area could reduce,to some extent,the errors and repetitive operations during the luminance measurement.

fish-attract lamp; measurement system; multipoint-measuring; Zigbee；GY-30

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.012

2016-06-30

2016-09-13

上海市科委项目(14DZ1205000)；国家远洋渔业工程技术研究中心开放课题(A-0209-14-0506-3)

王伟杰(1989—)，男，硕士，研究方向：远洋集鱼灯推广和应用。E-mail：weijiewang@shou.edu.cn

钱卫国(1977—)，男，教授，研究方向：远洋渔业与鱼类行为。E-mail：wgqian@shou.edu.cn

TP29

A

1007-9580(2016)05-062-05