海洋牧场环境信息综合监测系统的设计与实现

邢旭峰,王刚,李明智,陈勇,田涛

(1.广东海洋大学数学与计算机学院,广东湛江524088;2.大连海洋大学科技处,辽宁大连116023;2.大连海洋大学航海与船舶工程学院,辽宁大连116023;4.大连海洋大学海洋科技与环境学院,辽宁大连116023)

海洋牧场环境信息综合监测系统的设计与实现

邢旭峰1,王刚2,李明智3,陈勇4,田涛4

(1.广东海洋大学数学与计算机学院,广东湛江524088;2.大连海洋大学科技处,辽宁大连116023;2.大连海洋大学航海与船舶工程学院,辽宁大连116023;4.大连海洋大学海洋科技与环境学院,辽宁大连116023)

为实时掌握海洋牧场环境参数的动态变化和养殖生物的活动状态,采用海洋环境因子及水下影像采集和传输技术,以自制浮标平台为载体,在有效解决多路传感器数据并行采集及远程传输、水下摄像头承载装置的防水密封、水下影像数据远程传输等关键技术的基础上,研发了海水养殖环境信息综合监测系统。结果表明:该系统同时调用多个串口进行数据采集,能保证在一个时间节点上多参数水质数据的及时采集和准确性;采用丁腈橡胶材料构成的压紧螺母式电缆密封装置能有效防止海水的渗漏和腐蚀;解码板的分辨率设置为QCIF或者CIF模式,最大码率设置为120 kbps,帧率设置为8～15时,图像的流畅和清晰度较为适中。研究表明,该系统可用于海洋牧场水环境因子监测和水下养殖生物实时监测。

海洋牧场;浮标平台;数据远传;海洋环境信息;影像信息

1 总体设计与基本工作原理

1.1 总体设计

海洋牧场环境信息综合监测系统由一个浮标平台上搭载的两套子系统组成,一套用于养殖环境参数实时监测,另一套用于水下生物实时监测,以实现水质参数实时获取和水下影像观测,获取更加完整的海洋环境和水下生物信息。整套系统主要包括:浮标平台、水质参数探测仪器组、水下摄像装置、数据传送模块、影像数据转发服务器、数据接收存储服务器、WEB服务器等,系统总体构成见图1。

图1 海洋牧场环境信息综合监测系统总体构成示意图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 海洋水产养殖环境因子实时监测子系统整个子系统构成如图2所示,由3大模块组成: (1)数据采集传输模块; (2)数据接收与存储模块;(3)数据访问模块。其基本工作原理为:以浮标平台为载体,对海水温度、盐度、浊度、叶绿素、pH和风速风向等海洋牧场综合环境数据进行采集,然后利用DTU(data transfer unit)把采集到的数据通过GPRS无线数据网络传送到指定的服务器上。通过数据接收与存储模块,接收远程数据采集传送模块发送的实时监测数据,经过分析整理后,将这些数据保存在服务器数据库中。

1.2.2 水下生物实时监测子系统 整个子系统构成如图3所示,该子系统主要由水下影像采集传输模块、影像转发控制模块和访问模块组成。其基本工作原理为:水下摄像装置通过3G无线网络和Internet网络将影像数据发送至影像转发服务器,用户通过Internet网络访问影像转发服务器,即可获取远程水下影像,并远程控制水下摄像头的运动,实现远程控制摄像头的变焦、光圈和云台运动。水下摄像装置自带储存模块,可定时录制水下影像,并可按要求将影像资料通过Internet网络上传至用户指定的FTP服务器中。

图2 海洋水产养殖环境因子实时监测系统Fig.2 Real time monitoring system of mariculture environment factors

图3 水下生物视频监控系统示意图Fig.3 Diagrammatic sketch of a underwater video monitoring system

2 系统的硬件设计

2.1 水质数据采集装置

由于水质数据采集装置需要长时间在海上运行,运行环境高盐、高湿,温差较大,因此,要求数据采集装置能够抵抗恶劣环境,低功耗且运行稳定。经过对比测试,选择了MOXA UC-7400嵌入式工业计算机作为数据采集装置,该设备具备8个RS-232/422/48串口,可以连接多个水质探头,以实现多路传感器数据并行采集。

程序流程如下:(1)各类传感器、DTU等设备平时处于掉电休眠状态,按设置的时间周期激活传感器工作;(2)为清除水下传感器探头附着物,保证数据准确,采集数据前向各水下传感器发送一次自洁命令,传感器探头会执行一次自洁动作,并回传一个自洁装置的状态参数;(3)向各传感器发送读取数据指令,并接收传感器回传的数据;(4)将各传感器的自洁状态参数和回传的数据打包,发送到DTU模块;(5)DTU在通电后,向远程数据中心发出上线申请,并建立数据链路,DTU将数据包通过GPRS网络发送到远程数据中心并保存到数据库中;(6)将各类传感器断电休眠,开启下一次读取周期的计时,待到下一周期时再次开启上述过程。传送至数据中心的数据包含了环境因子数据及各传感器的工作状态数据,这样在获取数据的同时,能够掌握传感器的工作状态。多串口数据并行采集系统流程如图4所示。

图4 多串口数据并行采集系统流程图Fig.4 Flowing chart of a multi port data acquisition system

2.2 水下摄像装置

在摄像头选择方面,由于水下光照强度较弱,摄像头对光线的敏感度有较高的要求。本系统中水下摄像装置中摄像头采用 Sony 1/4"Exview HAD CCD,该摄像头最低照度为0.7 lx,黑白照度最低可达0.001 lx,在水质较清澈的区域,正常日光未加补光灯的情况下,也能取得较好的效果。摄像头采用12V直流供电,可直接用蓄电池供电,不需要额外做电路的改动。

摄像头水下密封装置。水下摄像装置的头部和尾部均需要密封。对于水下摄像装置头部密封,可利用 “O”型圈密封方式。其原理是在拧紧螺栓时,“O”型圈受到压力并对接触面产生压力,当密封腔充入液体后,在液体压力的作用下, “O”型圈发生位移,且与凹槽挤压发生型变,封闭了密封间隙,从而实现无泄漏密封。

水下摄像装置尾部需与蓄电池连接,故连接线需从外壳引出,引出线与外壳处的防水密封不同于只加 “O”型密封圈的静密封,其结构比静密封更加复杂,因为引出线可伸向任何方向。为此,本系统中设计了一种安全可靠的尾部密封装置——压紧螺母式电缆密封装置,其结构主要由组合式密封圈、外螺纹螺栓、内螺纹螺帽等组成。安装时将电缆穿过组合式密封圈 (材质为丁腈橡胶材料),并将密封圈放入螺栓密封槽中,其槽边倒角为10°～20°,通过螺帽压紧密封圈。

2.3 解码板参数设置

由于目前国内WCDMA业务不对一般用户提供固定IP地址服务,因此,使用3G网络进行视频传送时,需要搭建有固定IP地址的视频转发服务器。如果没有固定IP地址,也可以使用DDNS服务,并将服务器的IP地址、数据转发端口映射到公网上。

视频网络编码板将接收到的模拟信号压缩编码为数字信号后,通过3G网络传送至有固定IP地址的转发服务器上,用户登录视频转发服务器后,即可获取远程水下视频影像。由于视频数据量较大,如果视频采样率设置较高,通过3G网络传输时会存在一定的延时。经反复实际测试,分辨率设置为QCIF或CIF模式,最大码率设置为120 kbps,帧率设置为8～15帧时,图像的流畅和清晰度较为平衡。图5为水下视频拍摄到的鱼群巡游和海参养殖圈里投放诱捕饵料后海参聚集的影像。

2.4 浮标平台的结构设计

海上浮标平台是海中养殖水域水质采集系统各种设备的搭载平台,考虑到海况复杂,需要一款能够抵御恶劣自然环境,抗腐蚀、韧性好,能在海水环境中长期使用且价格适中的产品。相关资料显示,当碳钢中的铬含量超过17%时,就可以在海水中不锈,具有抗腐蚀能力。因此,本试验中选用304不锈钢作为浮标平台的主要制造材料,并在浮标平台外面加装了一层玻璃钢防锈外壳,以进一步加强浮标平台的防水密封性和防腐蚀性,同时也可延长浮标平台的使用寿命。浮标平台的形状及其在海中的状态见图6。

图5 水下视频图像Fig.5 Underwater video images

图6 浮标平台Fig.6 Buoy platforms

3 系统的软件设计

3.1 数据中心系统构架

数据中心要接收浮标平台通过GPRS网络发送来的海洋养殖环境信息参数,并将接收到的数据加以验证、处理,存放到数据库中,之后以图形或表格的形式将数据展示给用户,并为有相应权限的用户提供数据的下载。其工作原理为:数据中心接收程序不断监听与DTU设备通信相对应的端口信号,监控DTU连接状态,在发现DTU设备的连线请求后,核对DTU身份信息,如身份信息符合,向DTU回传已登录成功的信息,此时数据中心与DTU建立了数据通信链路。DTU在接到数据中心登录成功的消息后,将数据采集器采集的环境因子数据发送到数据中心,此时数据中心程序发现有数据到达并对数据进行校验,如数据符合约定的数据包协议格式,就将数据校验后拆包,按规定的数据格式存入数据库中。数据中心接收程序流程见图7。

3.2 WEB数据发布

数据发布程序采用浏览器/服务器模式 (Browser/Server,B/C),用户通过浏览器即可访问海洋环境因子数据网站。WEB发布程序采用C#语言开发,主要功能是将浮标平台所载的各类传感器采集的海洋牧场环境因子参数以图形及表格的形式展示给用户,并为有权限的用户提供数据下载服务。图8是海水环境因子数据界面。

图7 数据中心接收程序流程图Fig.7 The flowing chart of receiving information from a data center

图8 海水环境因子数据界面Fig.8 The interface of water environmental factor data

4 结语

本研究中介绍了海上浮标平台的材质选型和结构设计,以及以该浮标平台为载体的环境信息综合监测系统的软件、硬件组成。该系统应用在海洋牧场环境区域,可以同时接收处理一个或多个浮标平台所载传感器采集的环境因子数据及水下视频影像数据,以此观测海洋牧场建设状况,以及在对海洋牧场海域生态环境的修复过程中,监测海域内海水的水质参数、变化规律和水下生物的生长活动情况。

[1] 麦康森,徐皓,薛长湖,等.开拓我国深远海养殖新空间的战略研究[J].中国工程科学,2016,18(3):90-95.

[2] 于会娟,王金环.从战略高度重视和推进我国海洋牧场建设[J].农村经济,2015(3):50-53.

[3] 杨红生.我国海洋牧场建设回顾与展望[J].水产学报,2016, 40(7):1133-1140.

[4] 田涛,陈勇,陈辰,等.獐子岛海洋牧场海域人工鱼礁区投礁前的生态环境调查与评估[J].大连海洋大学学报,2014,29(1): 75-81.

[5] 陈勇,温泽民,尹增强,等.辽宁大长山海洋牧场拟建海域表层沉积物重金属潜在生态风险的评价[J].大连海洋大学学报, 2015,30(1):89-95.

[6] 范丽民,于红,骆桂爽.基于三角网格和模糊聚类的海洋牧场温度可视化[J].计算机应用与软件,2012,29(3):228-231.

[7] 袁晓庆,孔箐锌,李奇峰,等.水产养殖物联网的应用评价方法[J].农业工程学报,2015,31(4):258-265.

[8] 陈中华.基于物联网的海洋环境监测系统的研究与应用[D].上海:上海海洋大学,2012:3-5.

[9] 蔡励勋.海洋多参数水质在线自动连续监测浮标的应用[J].中国水产,2008(4):57-59.

[10] 花俊,胡庆松,李俊,等.海洋牧场远程水质监测系统设计和实验[J].上海海洋大学学报,2014,23(4):588-593.

[11] 赵聪蛟,周燕.国内海洋浮标监测系统研究概况[J].海洋开发与管理,2013(11):13-18.

[12] 崇庆峰,刘星桥,宦娟,等.基于Android和GPRS的水产养殖监控系统设计[J].渔业现代化,2013,40(6):24-29.

[13] 卜峰,李传江,李欢,等.基于GOS/GPRS的客车远程监控系统设计与实现[J].计算机测量与控制,2014,22(1):79-81.

[14] 付存宇.基于3G网络的嵌入式无线视频监控系统设计[J].计算机与现代化,2013(4):184-186,192.

[15] 张凯,刘健,邓平,等.水下采油输油管悬挂器密封技术研究与发展趋势[J].石油机械,2014,42(11):115-119.

[16] 张新成,李庆亮,吴相林,等.基于GPRS远程数据采集系统的设计与实现[J].计算机工程与设计,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">文献标志码:A

A

2016-05-05

国家海洋公益性行业科研专项 (200805030);广东海洋大学科研启动经费资助项目 (E16187);国家科技支撑计划项目(2012BAD18B00,2013BAD23B02)

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

目前,海水养殖已成为对食品安全、国民经济和贸易平衡做出重要贡献的产业[1]。随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高,人们对优质海产品的需求不断增加,传统的粗放消耗式渔业生产方式,已导致中国大多数海域生态严重受损,并随之出现水产生物病害严重、养殖环境恶化等问题,严重制约了中国水产养殖业的健康可持续发展[2-3]。海洋牧场是指在一个特定的海域里,为了有计划地培育和管理渔业资源而设置的人工渔场,其较好地实现了渔业工程技术与生态渔业的结合,实现了经济、生态、资源可持续发展的理念[4-5]。

海洋牧场环境监测以及水下养殖生物实时监测是海洋牧场建设的重要方向之一。随着计算机、网络、传感器技术的发展,以浮标平台为载体,以无线网络为传输通道的无线网络传感器水质监测技术研究取得了较大的进展和较为普及的应用[6-7],但是无线网络水质监测平台大多针对池塘、水库和湖泊养殖设计,或是针对大尺度海洋环境监测要素设计[8-9],而面向海洋牧场的多要素综合监测系统为数不多,此外,水下观测的实时影像采集途径,主要是使用拖拽式水下影像设备进行人工现场采集,未能实现在线监测方式。花俊等[10]设计了一套海洋牧场远程水质监测系统,该系统主要针对海洋牧场中海水温度、pH、浊度和溶解氧等环境要素进行监测,关键技术采用太阳能供电,未包含水下生物监测部分,但仅在湖水中做过测试,事实上,湖水和海水在水文特性上具有较大差异,因此,研制和推广可应用于获取海洋牧场多环境参数和水下生物信息的监测系统,有着重要的现实意义。

浮标是实现海洋牧场环境监测与水下生物图像检测的良好载体,可实现自动、长期、连续收集海洋环境资料的功能,即使在恶劣环境中,在其他现场监测手段均难以或无法实施监测的时候,海洋浮标仍能有效工作[11]。GPRS无线数据网络和3G无线网络在实时监测与监控系统中已经得到成功的应用[12-14],用该技术实现在浮标平台上实时数据传输技术已经非常成熟,面临的问题是多源传感器并行数据采集。另外,水下摄像机密封技术尚未得到很好的解决[15]。为此,本研究中以自制浮标平台为载体,在有效地解决多路传感数据并行采集及远程传输、水下摄像头承载装置的防水密封、水下影像数据远程传输等关键技术的基础上,研发了面向海洋牧场的养殖环境信息综合监测系统,包括环境因子远程实时监测和水下生物实时观测两大功能。