水产养殖移动式水下无线视频系统的设计与研发

连梦想 于淑卿 薛磊 马国强

摘 要：现阶段水产养殖面临三方面的难题：首先，传统养殖无法及时反映实际情况，且在人力物力消耗增加的情况下，收益逐年减少；其次，当前各组织对自然水生生物资源保护力度加大，而水产养殖对水下环境造成了较大污染，因此受到世界各国的普遍关注；最后，高清视频的视频流量较大，监控环境复杂，传统的有线视频监控系统无法满足按需布线与传输速率高的要求。针对上述问题，文中设计、研发出一套水产养殖移动式水下无线视频系统，通过移动式水下无线视频设备对鱼的行为特征和身体特征进行监控，实现智能化、科技化养殖。

关键词：移动式；监控；水产养殖；无线视频

中图分类号：TP39；S969 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

水產养殖是人工控制繁殖、培育和收获水生动植物的生产活动，一般包括在人工饲养管理条件下将苗种养成水产品的全过程。养殖环境和科学投喂以及鱼类的大小、分布对水产养殖十分重要。科学投喂主要包括两点：投喂营养全面的饲料，禁止投喂变质的饲料；饲料的投喂须确保鱼可在两小时内吃完，防止残饵腐败水质。但传统的养殖方式无法保证投食的质量和数量。针对此情况，作品设计了一套移动式水下无线视频系统，以解决靠经验投食、投药无法监测的问题。通过移动式水下无线视频设备，人们可观测到水下鱼的分布、体重及大小等情况，在对鱼类有效进行智能化养殖的同时，节约资源，避免污染水质。随着科技的发展，移动设备为鱼类养殖监控提供了一个更为便利的方式，可在手机、笔记本电脑及平板电脑等移动设备上随时监测鱼类的情况，进而对鱼类进行科技化管理。

本项目采用主流的嵌入式无线视频监测方式，并结合实际情况，提出一种移动式水下视频实时传输系统设计方案，针对系统中视频数据采集和传输、视频图像显示以及水下移动平台的控制等问题，运用OpenWrt系统以及视频和运动控制应用程序开发等技术，建立了一套成本低、无线、便于移动且性能稳定的水下视频传输系统。

1 水产养殖移动式水下无线视频系统的必要性及研究意义

移动式水下无线视频系统所具有的网络易连通性可弥补传统养殖的不确定性缺陷，实时监控投喂饲料的情况，极大地保证了饲料质量。这项研究进一步体现出现代互联网与农业的交接，带动了水产养殖的发展。

2 移动式水下无线视频系统的实现

移动式水下无线视频系统包括监控端、无线网络和用户端三部分。

（1）监控端负责视频数据和其他数据的采集和传输，由OpenWrt路由器、摄像头和接口板组成；

（2）无线网络负责将本地监控端数据传送至远程用户端（借助局域网或因特网）；

（3）用户端上位机软件或网页负责实时显示监控端发送的数据，并可根据监控人员的需要对远程监控端进行控制。上位机硬件平台可选用笔记本电脑、手机、平板电脑等。

2.1 无线视频的实现

根据当前形势，本文提出运用WiFi进行视频传输，并通过IP地址进行远程监控的无线监控方案。首先分析802.11协议的结构、无线帧的形成过程，再根据实际需求选择相应的硬件模块构建网站或PC客户端，其中CHD-T5是一款2.4GHz， 150 Mbit/s中端WiFi多媒体模块。模块可同时支持WiFi转视频，WiFi转串口，WiFi转GPIO；WiFi转I2C功能。一般免驱USB摄像头都可以直接接入模块，进行无线视频数据采集。CHD-T5支持AP，STA，AP与STA兼容（WiFi万能中继）三种模式，能满足各种应用环境。硬件封装提供插针（DIP 30mm×48 mm）与贴片（SMT 28 mm×48 mm）两种，具有体积小、性能强大、数据吞吐量大等特点。客户在接收播放视频时存在不连贯的现象，因此需对视频播放不连贯现象进行分析与优化。首先应分析视频帧数、网络状态参数、延时帧数、视频帧率等参数，然后通过调节参数来控制帧率，实现视频播放连贯的效果，最后检验WiFi无线监控方案的实施效果，并对帧率控制效果进行测试，使测试结果满足方案设计的要求。无线视频监控系统设计方案如图1所示。

2.1.1 WiFi点

802.11协议是IEEE 802工作组定义的第一个被国际组织认可的无线局域网通信协议，采用2.4 GHz和5 GHz ISM频段。802.11协议的无线局域网具有易部署、构建快速和灵活等特点，这是传统有限局域网不具备的。本WiFi模块支持的无线协议标准包括IEEE 802.11n，IEEE 802.11g，IEEE 802.11b。

现阶段，WiFi已摆脱电缆的束缚，可通过无线媒介来传播信息，在降低网络配置成本的同时，使得组网方式更加灵活。从硬件设备的要求来看，通过WiFi组建局域网相比有线网络更加简洁，当前市场上支持WiFi的设备很普遍，各种不同品牌的无线AP和客户端之间都可以相互进行操作。且全球使用统一的WiFi标准，因此在世界任何一个地方都可以使用这一服务。

2.1.2 系统功能

该模块移植了OpenWrt系统，OpenWrt是一个高度模块化、自动化的嵌入式Linux系统，拥有强大的网络组件和扩展性，用户可以方便、快速地定制一个具有特定功能的嵌入式系统来制作固件。根据系统方案，编译了一个包含kmod-video-core，mjpg-streamer和ser2net组件的固件系统，分别提供视频设备驱动、视频服务器和串口转网口功能。

网站总体架构设计方案如图2所示。

2.2 移动式观测显示

作品结合无线视频系统的实现以及水产养殖的相关数据所编写的程序与可视化网页，可方便人们在终端设备上实时监控鱼等水产的生长及其行为。

作品的显示包括以下两个方面：

（1）手机客户端的显示。手机与水下的WiFi模块共同连接一个路由器节点，使水下情况在手机上显示。

（2）电脑网站上的显示。我们采用Dreamweaver CS6来制作前台页面，用PHP编程语言进行后台的编写，进而把路由器的相连热点与网站相结合，实现信息在网站上的显示。

2.3 水下检测的基础

由于作品主要在水下通过摄像头对鱼类进行研究，因此，水下摄像头需具有外壳密封、稳定、可调节和美观等特点。我们采用的摄像头外壳呈雨滴形，整体的流线使摄像头在水下也具有较强的稳定性。外壳主要分为上下两部分，上部分作為盖子方便摄像头放入，下部分将雨滴的内部进行划分，从而实现摄像头的稳定放置，同时下部分还具有一个封闭的凹槽，可手拧螺丝对外壳位置进行调节实现密封。雨滴上部留有一个小孔，用于与外部天线连通。外壳模型俯视图如图3所示。

2.3.1 良好的密封性

利用软件将预想外壳绘制出来，在设计过程中计算好每一个数据，确保模型没有漏洞。通过3D打印，将摄像头放置在外壳下部，用胶水将两部分粘在一起实现封闭，通过手拧螺丝对外壳进行调节。设计一个凹槽，并在凹槽外部添加一个皮垫，不仅能固定外壳，还可防止进水，进一步提高了外壳的封闭性。

2.3.2 优越的稳定性

外壳内部放置有摄像头，外壳外部放置在具有游动的鱼的水中，以保证摄像头录制的清晰度与稳定性。作品采用具有强稳定性的流线型雨滴结构作为外壳的整体结构。在水中放置一个有等间距孔的杆子，通过手拧螺丝经外壳上的皮垫将外壳固定其上，从而使外壳完全固定在水中，保证摄像头能够清晰并稳定地摄像。

2.3.3 突出的可调节性

作品的外壳与摄像头主要放置在水下对鱼类的情况进行观测，而不同种类的鱼的生活水层各不相同，考虑到此问题，作品采用将外壳与手拧螺丝相结合的方式，利用放置在水中的一个具有等间距孔的杆子，将手拧螺丝与外壳固定起来，可通过手拧螺丝穿过水中不同高度的孔来调节外壳中摄像头拍摄的水层范围。外壳膜性侧视图如图4所示。

2.3.4 美观性

不同于市场上造型单一的摄像头，本文设计的作品采用流线型雨滴样式，更具有代表性、吸引力，且更美观。

3 系统运用结果

该系统可广泛应用于大型水产养殖中。水下摄像头良好的外壳密封性、稳定性、灵活性等优势使得其可清晰拍摄位于不同水层的鱼类，无线视频实现了水下监控鱼类行为的目标，可对鱼的行为、进食等进行全面监控，使传统的水下养殖实现了一定程度的科技化。利用网页编辑器以及编写语言实现了可视化网页的展现。

4 结 语

在未来经济、科技的发展中，水产养殖的速度会越来越快，因此水下无线视频与水产养殖的关系也会更加密切。WiFi是本文提出的移动式水下无线视频系统中的关键部分，符合网络信息时代的发展潮流。如果数据量较大，还可在用户端或监控端加入处理设备，去掉冗余数据，使显示的数据更具可读性和准确性。而无线视频的设计也将成为另一个热点。

参考文献

[1]许明昌.视频监控系统的现状和发展趋势及在水产养殖中的应用[J].中国水产，2007（6）：77-78.

[2]张志根.面向水下监测的移动式视频实时传输系统设计与实现[D].杭州：浙江大学，2016.

[3]程汉宁.水产养殖视频监控系统的研究[D].沈阳：东北大学，2012.

[4]佚名.水下监控器[J].技术与市场，2006（4）：23.

[5]张汝彬，苏锋，陈斌，等.水下视频监控系统的设计与搭建[J].自动化仪表，2016，37（3）：35-38.

[6]孙侃.网络视频监控系统现状和发展趋势[J].科技资讯，2017，15（24）：31-32.

[7]李丽娟，李理敏，郑诺，等.基于OpenWrt的无线视频监控系统设计[J].温州大学学报（自然科学版），2015，36（4）：50-55.

[8]胡君连.基于WiFi的嵌入式无线视频监控系统设计[D].上海：东华大学，2012.