海洋生态池塘在线监测系统的设计与实现

曾银东，陈 栋，陈 鹏，李 琳，张菀伦

(1.福建省海洋预报台，福建 福州 350003；2.中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100)

海洋生态池塘在线监测系统的设计与实现

曾银东1，2，陈 栋2，陈 鹏2，李 琳2，张菀伦2

(1.福建省海洋预报台，福建 福州 350003；2.中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100)

针对目前我国池塘监测系统在稳定可靠及可扩展性、数据连续实时性、水下环境的可视化等方面的不足，本文提出了一种新型的模块化池塘生态环境在线监测系统解决方案，通过在池塘循环水入水口布放多参数传感器探头，及精选部分池塘养殖池布放水下高清摄像头，接入相应的数据采集控制系统进行集成搭载，利用无线传输模块或地面以太网与控制中心通信完成对数据的实时更新与展示发布，真正实现了对池塘水温、盐度、叶绿素、溶解氧等生态环境要素的长期、实时、连续、在线监测，同时对池塘生物活动状态及生活习性等进行实况视频监控，并且满足对氨氮、亚硝酸盐等营养盐要素的扩展集成。通过山东青岛近岸海域示范运行，验证了该方案实施的可行性，这将为海塘养殖业生产经营提供可靠的数据支持与技术保障，具有广阔的应用前景。

海洋池塘；生态环境；在线监测系统；设计

20世纪50年代以来，我国海水养殖业发展迅速，从1961—2004年短短的几十年间，养殖产量提高了77.69倍，达到1 253.3×104t[1]。海水池塘养殖是海水养殖业的三大主要养殖方式之一，始于20世纪70年代末的大规模中国对虾养殖，近年来，池塘养殖规模呈现递增趋势[2]。就养殖技术和管理能力而言，我国已经取得了很大程度的发展。但由于海洋池塘养殖业起步相对较晚，在很多方面还不够完善，比如池塘养殖业的现代化、规模化、信息化在很大程度上落后于一些发达国家。

海洋生态环境的变化与养殖业的产量息息相关，对池塘环境的实时监测将有助于掌握养殖生物生存环境的变化及可能产生的影响，并及时采取措施以减少养殖业不必要的损失。因此，池塘监测系统对于池塘养殖业的发展具有重要作用。我国现有池塘监测系统仍存在着许多不足，如系统的稳定可靠性及可扩展性、监测数据的连续实时性、水下环境的可视化、监测数据的开发与使用等方面还不够理想。基于上述现状，本文提出了一种新型的模块化池塘生态环境在线监测系统方案[3]。

1 设计概况

通过在池塘循环水入水口布放多参数传感器探头接入相应的数据采集控制系统，并在特定水域增加水下视频监测设备，通过与控制中心通信，完成对数据的实时更新与展示发布，构建一套新型的模块化池塘生态环境在线监测系统，实现对池塘包括水温、盐度、深度、叶绿素、溶解氧等生态环境环境要素的长期、实时、连续、在线监测，对池塘水质环境和生物运动状态及生活习性的实况视频监控[4]，并且满足对氨氮、亚硝酸盐等营养盐要素的扩展集成。本设计的优势主要包括以下几个方面：

1)系统集成：通过引进现场CAN总线分布式技术对多参数传感器探头及水下摄像头进行有效搭载集成，提高系统整体稳定性与可靠性，以及后期可扩展性；

2)数据共享：通过构建监测控制中心，对池塘生态环境数据及养殖区实况视频进行及时展示发布，从而实现数据共享；

3)信息整合：通过对监测数据进行信息整合，分析生态环境与产量关系，从而指导并进行辅助决策，实现对异常水质的预警预报，提高养殖质量。

2 总体设计

2.1 总体架构

根据池塘养殖区的结构设计，在各池塘养殖区放置生态环境数据采集控制系统，池塘内布放水质监测探头，通过水密电缆集中接入相应池塘边的控制箱。监控中心通过GPRS/CDMA通道负责与数据采集控制系统通信，并将系统状态监控数据与生态环境数据实时地传输到监测控制中心[5]，系统网络拓扑图如图1所示。

2.2 采集系统

数据采集控制系统是池塘生态环境在线监测系统的核心部分，通过引入现场CAN总线分布式模块化集成控制技术，主要负责池塘循环水入口处多参数传感器探头及摄像头的有效集成搭载，其系统组成框图如图2所示。

其中，按照数据采集控制系统空间位置划分，主要包括池塘内布放于循环水入水口处的多参数水质监测探头、水下摄像头及池塘岸基水密控制箱。

2.2.1 生态环境监测数据采集软硬件设计

系统功能模块主要包括供电单元模块、主从控制模块、传感器模块、无线传输模块。供电模块负责主从控制模块与传感器模块的能源供给与分配；主从控制模块与各传感器模块通过现场CAN总线通信，负责传感器管理与控制；传感器模块通过信号线和动力线与控制箱挂载监测探头连接，负责传感器探头电源管理与数据采集处理[6]。

1)供电单元模块

供电模块主要负责主从控制模块、传感器模块的能源供给，通过DC/DC模块输出5 V和12 V的电压为主从模块供电；各传感器模块将48 V输入电压转换成适合各模块正常工作的电压，实际电路板如图3所示：

2)主从控制模块

主从控制模块通过现场CAN总线与传感器模块通信，负责传感器模块的管理与控制，并负责传感器数据解析处理工作[7]，是整个数据采集器的核心控制部分，是系统稳定运行的关键。为了保证系统的稳定可靠性，该部分主要由双冗余的主控模块与从模块组成。

在硬件电路设计上，采用核心板搭配底板的设计，核心板处理器采用ATMEL AT91SAM9263芯片；底板根据实际应用进行适当裁剪设计，保留必要接口电路，比如RS232接口、以太网接口、CAN控制器接口等。

3)传感器模块

各传感器模块集供电管理和数据采集于一体，通过现场CAN总线与主从控制模块通信，通过信号线与动力线等兼容接口与挂载传感器探头通信。各模块间软硬件设计类似，硬件电路主要包括CAN协议转换与电源控制两部分，是由CAN总线协议转换器和DC/DC转换器组成。软件程序负责将RS232、RS485的接口数据转换成CAN总线数据以及传感器探头的电源管理[8]。

4)无线传输模块

数据采集控制系统在水下传感器探头与监测控制中心之间起着信息中转站的作用。在物理连接上，主从控制模块处理器经传感器模块和水密电缆与水下观测探头连接构成物理通信链路[9]；同时，处理器通过串口连接GPRS/CDMA的DTU终端，以无线方式与监测控制中心相连。

2.2.2 池塘监测现场控制箱

图4是控制箱整体构造图，控制箱内部安装采用类似于PC电脑主板的插卡方式，其中包括供电模块电路板、主从控制模块电路板、传感器模块电路板、底板等。底板内部预留多路扩展插槽，可以根据需求更换传感器模块。

2.3 数据监控中心系统

数据监控中心主要包括两个部分：实时数据监测平台与资源数据共享网站。其中实时数据监测平台负责水质在线数据采集控制系统的远程控制、实时数据监测、实况视频播放等；资源共享网站则负责数据发布、信息整合等功能[10]。

2.3.1 实时数据监测平台

实时数据监测平台(图5)，主要负责远程控制养殖区内所有池塘生态环境在线监测数据的采集与控制，并负责将监测数据实时转发至数据监测中心。当CTD、溶解氧等传感器探头进行采样时，前端控制模块与数据管理系统建立长连接，解析并存储原始采样数据，同时根据通信协议，组包转发数据至数据管理系统。另外，本设计还实现了断网重连、超时重发、远程反馈等机制，保证与数据管理系统长连接的稳定性。

2.3.2 资源共享网站

资源共享网站主要负责发布实时数据监测平台获取的水质更新数据，供外部用户访问查看，考虑到数据的安全性、可靠性，将存储数据服务器分为四类：数据库服务器、数据处理服务器、数据访问服务器及数据备份服务器。

3 应用案例

2016年在山东青岛近岸海域部署建设一套海洋生态池塘在线监测系统，并投入业务化试运行，根据实际监测需求，系统集成搭载了WQM传感器、ROS C600摄像头及LED光源设备，实现了对温度、盐度、深度、叶绿素、溶解氧、浊度等生态要素及水下高清实况视频的长期、实时、在线监测。通过对一段时间的监测数据进行定量分析，给出了各生态环境要素随时间推移的变化情况。

图6显示，该海域潮周期变化以正规半日潮为主；监测期间水温持续增温，平均增长率为0.12 ℃/d，日最大变化幅度达0.2℃；盐度在31.40～31.65之间，日变化较为平缓；监测期间溶解氧呈线性递减，平均递减率为0.024 mL/L·d，且与温度呈显著的负相关；叶绿素浓度代表了初级生产力情况，监测期间变化与温度无显著相关性，影响因子有待进一步研究；浊度变化趋势较为复杂，受近海潮水和风场混合作用影响，单一因素相关性较低。

4 结语

本文提出了一种新型模块化的海洋生态池塘在线监测系统解决方案，并在山东青岛近岸海域进行了部署建设及示范运行，结果表明其可以实现对池塘水体水温、盐度、深度、叶绿素、溶解氧等水质要素的实时监测；对池塘养殖区生物活动状态及生活习性的实时视频监控；对仪器工作状态、数据采集频次、监测数据质量的控制。本设计中采用现场CAN总线模块化设计，可以方便更新和升级仪器，同时考虑到系统需求的多样性，预留了充足的设备接口，从而可以挂载氨氮、亚硝酸盐等营养盐监测设备。通过获取的大量第一手生态环境数据，可为海塘养殖业的生产经营提供可靠的数据支持与技术保障，具有广阔的应用前景。

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[3]李道亮，陈新宇，王振智，等.一种池塘养殖水质在线监测系统：CN 201320283673.3[P].2013-11-06.

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[5]周恒瑞，马从国，王业琴，等.基于GPRS的可移动式池塘水质无线监测节点的设计[J].福建农业科技，2014，45(11)：72-76.

[6]綦声波，沈翔，于敬东.基于CAN总线的海洋水文气象观测系统设计[J].机械与电子，2014，(7)：35-39.

[7]陈栋，李欣，李培良.基于观测网的海底动力环境监测系统的设计与实现[J].海洋技术学报，2015，(2)：21-26.

[8]周龙甫，呼永河，范泉水，等.模拟串口技术在多传感器数据采集中的应用[J].医疗卫生装备，2013，34(10)：4-5.

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Design and implementation of a marine ecological pond online monitoring system

ZENG Yindong1， 2，CHEN Dong2，CHEN Peng2，LI Lin2，ZHANG Wanlun2

(1.Marine Forecasting Center of Fujian Province，Fuzhou 350003，China；2.College of Oceanic and Atmospheric Sciences，Ocean University of China，Qingdao 266100，China)

The scale of pond farming in our country is increasing year by year，but we still fall behind the other developed countries in the modernization，scale and informatization.The real-time monitoring of the pond ecological environment will help to reduce unnecessary losses in fish farming.There are still many shortcomings in the pond observation system in our country，such as stability，reliability and extendibility of the system，continuous and real-time observation of the observation data，visualization of underwater environment，development and use of observation data，etc.Based on the above situation，this paper presented a novel solution of pond ecological environment online monitoring system，it built a new type of ecological environment online monitoring system by deploying multi-parameter sensor probes in pond circulating water inlet and underwater camera in selecting ponds，accessing to the data acquisition and control system，and then communicating with control center by GPRS/CDMA wireless transmission module or Internet to real-time update，show and release.The system realized the long-term，real-time，continuous，online monitoring of the ecological environment elements including temperature，salinity，depressure，chlorophyll，dissolved oxygen，and real-time live video monitoring of biological movement state and life habits.Besides，the system met the integration of nutrients elements such as ammonia nitrogen and nitrite.The data acquisition and control system was the core part of the on-line monitoring system of pond ecological environment，which was mainly responsible for the effective integration of multi parameter probe and camera through the introduction of the CAN bus distributed modular control technology.According to the system function module，it mainly included power supply module，master and slave control module，sensor module and wireless transmission module.The power supply module was responsible for the energy supply and distribution of the master-slave control module and the sensor module included +5 V，+12 V，+48 V by DC/DC module.The master-slave control module was responsible for management，control and communicate with the field CAN bus of each sensor module.The hardware part utilized the structure of core board plus bottom board where core board processor employed the ATMEL AT91SAM9263 and bottom board retained the necessary interface circuits，sensor module was responsible for CAN protocol conversion and power control including multi-parameter CAN module，camera CAN module，led CAN module and other extension CAN module.Wireless transmission module was responsible for communication with monitoring and control center by GPRS/CDMA DTU module.The control box inside was equipped with a card inserting mode similar to the PC computer mainboard，which comprised a power supply circuit board，a master-slave control circuit board，multi sensor circuit board，a bottom circuit board，etc.The bottom circuit board was provided with a multi-channel expansion slot，and the sensor module could be replaced according to the requirement.The control center was responsible for the release and show of observation data and live video including real time data monitoring platform and resource data sharing website.We have built the pond ecological environment online monitoring system to integrate WQM sensor，ROS C600 camera and LED light source device according to the actual needs of offshore area of Qingdao，Shandong and put into trial operation.It has proved the reliability and feasibility of the proposed solution and supplied reliable data support and technical guarantee for directing safety production and has broad application prospects.

pond；ecological environment；online monitoring system；design

2017-05-31

曾银东(1978-)，男，在职博士，高级工程师，从事海洋观测预报工作.E-mail：zydzyd100@163.com

P71；TP39

A

1006-5601(2017)04-0295-08

曾银东，陈 栋，陈 鹏，等.海洋生态池塘在线监测系统的设计与实现[J].渔业研究，2017，39(4)：295-302.