南极磷虾生态模拟暂养系统的设计与应用

杨 琛，周 培，袁军亭，朱国平，韩铭磊

( 1 上海海洋大学工程学院，上海 201306 ；2 上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306)

南极磷虾是生活在南冰洋水域的一类磷虾，体长约6 cm，体质量约2 g，集群生活，是地球上数量最大、繁衍最成功的单种生物资源之一[1]。南极磷虾营养丰富，生活在南极食物链的底端。通过观测其生活习性，可以提前预知南极生态圈以及生态环境的变化。因此对南极磷虾的科学研究越来越受到关注和重视。南极科考点离生活区较远，经常需要暂养以供极地研究。目前，针对水生生物的暂养技术还不够成熟。大型渔船的暂养多依靠船体自身结构如活水舱、蓄水舱，一般的暂养系统通常是简单搭建水泥槽，采用吊笼等传统储存工具开展暂养，需人工清池、投食、放气、增氧、防水等繁杂操作[2]。其他应用场合如超市等多采用水槽、网箱等暂养方式，采用简单设备进行人工养殖[3- 6]。南极磷虾依旧采用简陋水箱暂养，勉强使部分磷虾存活[7- 8]，难以提供适合的科研暂养环境。

为解决南极磷虾科研活动中的暂养问题，设计并制作了南极磷虾生态模拟暂养系统。该系统为多功能、可组装透明暂养箱，可为磷虾暂养提供多样化观察空间；基于单片机、MESH网络、多节点传感器和执行器实现的生态环境监测及生态环境多参数模拟控制系统，为南极磷虾的生态学研究提供智能化、便捷化的研究工具，具有重要的现实意义。

1 系统整体方案

1.1 方案分析

对南极磷虾的研究常集中在集群行为研究和水生环境适应度上，例如耐盐度、个体及群体行为等方面。根据南极磷虾科学研究需要，其生态模拟暂养系统主要满足以下要求：1)满足南极磷虾个体及集群的观察和研究的需求；2)根据科研需求，自动调节水质参数，模拟不同生态环境，如通过调节相关执行机构，增加水体盐度等；3)数据实时存储及展示。

1.2 系统结构

根据需求分析，该生态模拟暂养系统主要由机械结构硬件层和生态模拟控制层两部分组成(图1)。

机械结构硬件层主要指由亚克力材料组装，可拆卸、透明的暂养箱体，方便对磷虾进行多维度观察研究。暂养箱体是关键的机械结构，除了有常规的供排水系统外，还有温度控制设施、供氧设备、酸碱试液投放控制器等硬件机构，结合需求实现多环境参数定量改变的功能。

生态模拟控制层主要用于水体环境监测，并控制其参数变化，由多传感器检测模块、环境参数调节控制模块、无线通信模块及终端显示模块组成[9]。通过搭建智能化软硬件平台，从而实现对水体温度、溶氧、pH、盐度等参数的自动监测和自动调节控制[10- 11]。

图1 暂养系统结构框图Fig.1 Structural block diagram of temporary cultivation system

2 暂养箱结构设计

暂养箱箱体侧壁共3层透明亚克力板，分2个夹层，外层真空保温，内层冷流降温。冷流由箱体壁一侧进入，环绕箱体循环一周，从另一侧上部流出，可有效保证试验箱的保温控温功能。箱体底部设置有排水口，可有效减少试验人员的负担。主要的机械结构功能分为两部分，个体暂养(图2A)和群体暂养(图2B)，内部主要机械器件包括：1)外箱体，主要承载所有内部零件； 2)喂食管，输气管道，内部设置增氧泵已保证水体溶氧量满足试验要求，另外增设喂食管，方便磷虾食物投放；3)内芯，内芯为圆柱形，用于群体暂养时，将相机等其他设备隔离于外侧，保证箱体内部装置不对磷虾运动产生影响，同时保证录像工作正常进行；4)单体分割装置，将群体分隔器取出，放入单体分割器，上下3层的单体分隔装置可实现30多只虾体同时放入，每个单间周围的壁板上均开有小孔，保证所有空间的水体互通，确保个体试验的环境变量一致。

图2 部分机械结构图Fig.2 Part of the mechanical structure

3 生态模拟控制系统

生态模拟控制系统主要包括多参数生态环境检测节点、生态环境模拟控制继电器节点以及控制系统协调器。系统整体硬件连接如图3所示。

图3 硬件模块总体结构设计图Fig.3 Overall structure design of hardware module

3.1 终端节点硬件设计

系统的终端节点包括多参数生态环境检测节点和生态环境模拟控制继电器节点。前者实现暂养箱环境的检测，温度传感器采用高温型DS18B20防水型数字温度传感器，盐度传感器采用DT- 300盐度传感器，pH传感器采用MEACON的电极pH传感器，溶氧量传感器采用HQ30d哈希便携式溶氧仪；继电控制器节点包括氧气泵、冷凝器、过滤器、加热棒及特殊试剂输送管。经各参数节点采集相关数据后，经内部变送器将模拟信号传输至AD采样模块，单片机完成数据采集及控制。后者主要完成对不同环境参数的控制和模拟。该节点通过继电器对氧气泵、加热棒、过滤器、试剂添加管等实现控制，当传感器检测参数值异常时，输出控制信号，通过中间继电器联动执行器进行控制。

3.2 控制协调器硬件设计

控制协调器主要分为MESH模块[12]、液晶屏、按键模块和电源模块。其中模块微处理器为Atmega16A单片机，是现场数据采集计算核心。ATmega16是一款低功耗的8位CMOS微控制器，内部有32个通用工作寄存器，为许多嵌入式控制工作提供可行且低成本的支持。控制协调器主要负责传感器控制、数据存储传输等任务[13]。其硬件结构如图4所示。

图4 控制协调器硬件结构图Fig.4 Hardware architecture of control coordinator

3.3 无线网络设计

考虑到南极科考点及船舱的特殊环境，该系统采用无线Mesh网络实现数据无线传输。这是一种动态的可以不断扩展的网络，是用无线链路把终端设备与路由器连接起来，解决扩充与传输可靠性的问题[14- 15]。其关键技术为无线Mesh路由器的无线传输技术，主要指网格路由器和用户终端之间，网格路由器相互之间的无线传输以及多信道接入的MAC访问技术[16- 17]。针对南极暂养箱的网络需求，无论从技术上还是可行性上，无线Mesh网络比目前使用的其他无线技术要好，覆盖面积以及相关指标都可达到要求，且具备一定的结构优势。

4 生态模拟控制系统软件设计

4.1 环境监测

监测节点数据采集过程如下：1)进入初始化操作，包括协议栈操作；2)加入Mesh网络，入网成功后为该节点分配一个16位的网络地址，同步时钟后进入休眠模式；3)当收到采集命令时节点被唤醒，进行数据采集并将数据打包，发送到数据中心协调器节点，若无采集命令，则继续保持休眠模式[18- 19]。监测节点工作流程如图5所示。

图5 监测节点工作流程图Fig.5 Workflow diagram of monitoring node

4.2 执行机构控制

执行机构的控制分为近程和远程控制，采用无线Mesh网络进行数据的收发与传输。利用C语言开发软件进行控制设计，用户通过登录手机客户端，点击运行按钮后系统自动开始工作，监测节点被唤醒，进行数据采集，选择自动控制模式后，根据监测终端提供的参数数据进行判断，若数据存在较大误差，中间继电器自行进行开合，从而控制执行器的关闭，维持暂养系统平衡。整个过程中各节点采集数据会发送至中心协调器，将参数数据及执行过程显示于终端界面。

4.3 手机应用软件

为了方便科研人员随时随地监控暂养箱水体环境参数，远程获取相关监测数据和控制暂养箱设备，系统开发了基于Android的手机应用软件[20]。手机客户端软件为登录验证[21- 22]、系统参数设置、信息检索、暂养箱水体环境参数监控、远程控制等功能。

5 试验内容

5.1 南极磷虾暂养存活率研究

南极磷虾暂养箱于2018年11月—2019年3月跟随考察队伍完成全球首次南极磷虾资源单季环极并行调查，协助完成了一系列考察项目。南极磷虾暂养系统的研发是为了以自动控制方式模拟磷虾最适生态环境，以提高南极磷虾样品的存活率。在本次科考中，选取同一批捕捞磷虾，等量分别放置于常用的养殖水槽与该暂养设备中。普通水槽中磷虾的养殖仍采用人工进行参数调控、喂食、水槽暂养[23- 24]。而暂养系统由科研人员根据系统功能进行自动化养殖，经一段时间后统计并比较样本的存活率及样本生理状况。

5.2 南极磷虾耐受性研究

科考队员在“雪龙”号上首次使用磷虾暂养系统来获得磷虾盐度耐受数据[25- 26]，采用单体分割装置(图6A)在多个单体中预设不同盐度值，分别取样100只，实时通过监测系统更为准确地了解磷虾不同盐度下的个体状况，以研究南极磷虾盐度耐受性。24 h后所得数据如表1所示。

表1 盐度急变式试验组磷虾状态Tab.1 Krill state in the experimental group with abrupt change in salinity

5.3 南极磷虾耐受酸碱度研究

同样采用单体分割装置，对南极磷虾进行酸碱度耐受研究，研究6.1～7.9范围内磷虾的个体状况，24 h研究所得数据如表2。

5.4 南极磷虾集群行为观察

相较于以往观察槽体的局限性[28- 29]，采用群体分割装置(图6B)，内部安装360°摄像机，记录磷虾24 h的运动轨迹，采用更为科学的视频处理方式，精准获得磷虾运动轨迹数据。

表2 酸碱度急变式磷虾试验组磷虾状态Tab.2 Krill state in the experimental group with abrupt change in pH

图6 试验现场图片Fig.6 Pictures of the experiment site

6 结论

预设南极磷虾最适生活水体环境参数值后，暂养系统养殖的磷虾存活率相比以往养殖所获数据，提高了20%，暂养系统基本达到了预期目标。南极磷虾的适宜耐受盐度为43左右，极限耐受盐度值为55，适宜耐受酸碱度为7.3，极限耐受酸碱度为6.7。与人工条件下水箱试验数据对比，数据无较大差别。试验避免了人工操作带来的误差，数据准确性与可靠性进一步提高。经摄像机采集数据分析，认为南极磷虾依靠腹足和尾部的动作推进前进，以集群方式生活，有一定的趋光性，且磷虾集群会因光照强度的改变产生应激反应。该研究的自动处理系统为后续研究留下了大量的图像数据资料，也为今后的研究提供了科学依据。