基于5G通信技术的网箱养殖在线监测系统设计

郑晓伟，李培良，邓 熙，李水晶，梁振夫，姜庆岩

(1.中国海洋大学 海洋与大气学院，山东 青岛 266100；2.浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021；3.中国移动通信集团海南有限公司，海南 陵水 572400)

引 言

随着时代的发展，网箱养殖日益趋于普遍化和多元化，其具有低投入和高产出等特点，现已成为国内外海水养殖的重要方式之一。但是，受网箱养殖鱼类密度大、海洋污染或恶劣气候变化的影响，容易导致海水溶解氧或者温度等水文生态要素发生骤变，造成大量的鱼类死亡[1]。因此，能够及时地监测网箱的水质情况、实时播报水下生物状况成为一项应对突发状况的重要举措，从而保障网箱养殖的生态效益和经济效益。

传统的网箱养殖监测主要有两种方式：第一种是人工采样的方式，即潜水员通过携带水下摄像机和传感器设备进行人工记录，这种监测方式的周期长、劳动强度较大、时效性差，无法做到连续、实时、在线监测，而且人力成本较高[2]。第二种是采用美国的YSI水质监测系统，虽然数据采集和传输的速度较快、测量参数较多、精度高，但是系统成本较高、操作复杂[3]，并不适合长期的网箱养殖在线监测。

基于上述现状，在综合考虑系统稳定性、可靠性、经济性的前提下，本文提出了基于5G通信技术的网箱养殖在线监测系统设计方案。本系统采用光伏阵列、蓄电池组和太阳能控制器组合的方式为整个系统提供电源支持，岸基控制系统通过水密电缆与水下监测设备建立连接，并将温度、盐度、深度和溶解氧等常规水文生态要素数据以及水下高清视频经5G数据传输系统上传至数据监测中心。数据监测中心后台应用对数据进行解析和处理，如果发现超出阈值范围就将预警信息发送至相关管理人员手机，从而能够及时做出相应的应急方案，实现对网箱水质变化情况的实时监测预警。

1 总体设计方案

本文设计的网箱养殖在线监测系统主要由光伏发电控制系统、数据采集控制系统、水下监测设备、5G数据传输系统和数据监测中心等组成。光伏发电控制系统负责给整个系统提供能源供给，数据采集控制系统负责集成搭载水下监测设备，同时将实时监测的数据和视频等通过5G数据传输系统上传至数据监测中心，如图1所示。

图1 系统总体设计方案示意图

1.1 光伏发电控制系统

光伏发电控制系统主要包括光伏阵列、蓄电池组、太阳能控制器等。光伏阵列将光能转换成电能，并通过太阳能控制器进行充放电，蓄电池组负责给整个系统提供稳定的能源供给，在阴雨多雾等极端天气条件下使系统保持稳定正常工作。

1.2 数据采集控制系统

数据采集控制系统是网箱养殖在线监测系统的核心研究内容，是完成网箱养殖在线监测的关键。系统内部搭载了ARM嵌入式控制系统集成电路，同时引入了控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)现场总线分布式管理方式的思想[7]。数据采集控制系统按照功能主要分为能源管理与控制、数据采集控制、数据传输控制等单元，如图2所示。

图2 数据采集控制系统内部结构图

1.2.1 能源管理与控制单元

能源管理与控制单元主要负责将太阳能控制器负载输出的DC12V进行电压转换，根据数据采集控制单元中ARM控制系统和CAN控制模块不同的输入电压进行相应的电压分配。其中DC12V/5V、DC12V/12V电压转换模块分别实现给ARM控制系统和CAN控制模块供电。

1.2.2 数据采集控制单元

数据采集控制单元主要是通过TCP/IP、CAN、RS485、RS232等不同通信协议之间的转换，实现与水下监测设备之间的通信[4]，并给水下监测设备提供电源支持。ARM控制系统和CAN控制模块作为数据采集控制单元的核心模块，通过获取岸基控制系统下达的电源控制、采样控制等命令，经数据传输控制单元进行传感器供电控制和采样配置，从而完成传感器在线数据采样和视频采集。同时，将采样的数据进行解析组包，并对采集的视频进行压缩解码，最终实时上传至数据监测中心。

考虑到系统运行在相对恶劣的环境，本文选用具有体积小、功耗低、成本低、性能高等优点的CPU芯片(型号AT91SAM9263)作为数据采集控制单元的ARM控制系统中央处理器[11]，并以典型的AVR单片机芯片(型号AT90CAN128)作为CAN控制模块中央处理器。

ARM控制系统与CAN控制模块之间采用具有较强纠错能力的CAN总线协议作为数据通信协议，CAN总线的分布式管理方式思想不仅解决了对于多个处理器集成传感器的管理和控制，同时CAN总线的节点数可以达到110个，这样就增加了后期的可扩展性[5]。

1.2.3 数据传输控制单元

考虑到RS232串口通信协议的传输距离较短，本文选用RS485串口通信协议进行数据的长距离有线传输，避免造成数据在传输过程中大量丢失。RS485协议采用一对双绞线进行信号传输，可以在发送端通过驱动器将TTL电平信号转换成差分信号，同时在接收端将差分信号转换成TTL电平信号，这种信号传输的方式具有很强的抗干扰性、接收灵敏高和信号传输距离长等优点[6]。

1.3 水下监测设备

水下监测设备主要包括多参数水质仪和水下高清摄像机。多参数水质仪主要测量海水温度、盐度、深度、溶解氧等参数，温度的测量精度为0.01 ℃，分辨率为0.001 ℃；盐度的精度为0.01% psu，分辨率为0.001% psu；深度的测量精度为0.1% m，分辨率为0.01% m；溶解氧的测量范围为120%饱和度，分辨率为±0.1 mg/L。水下高清摄像机采用30倍光学变焦、172°超广角镜头，并支持1920×1080p高清视频输出。

图3 5G数据传输系统

1.4 5G数据传输系统

第五代移动通信技术(5th generation mobile networks，简称5G)现已经成为全球移动通信领域中新一轮技术竞争的保障[12]。5G作为4G的升级之作，5G以高数据传输速率、降低延迟和成本、节省资源等优势获得了大范围认可，同时大幅度地提升了网络容量[8]。本文中5G数据传输系统通过在系统中布置CPE终端设备接入5G网络通道，完成实时数据和高清视频业务回传的需求。

在海测过程中，CPE终端设备接收5G的RSRP值达到约-90 dBm左右，SINR值达到20 dB以上，平均上传速率达到24 Mbps，接入指标、ping包时延和下载速率良好，满足实时数据和高清视频上传的业务需求。考虑到CPE终端在海平面传输5G信号，RSRP值有一定的波动现象，但下载速率总体比较稳定。当CPE终端在2 km处，信号电平值达到-91 dBm，下载速率达到488 Mbps；在6 km处时信号电平值达到-114 dBm左右，下载速率稳定在250 Mbps，如表1所示。分析表1数据可得，5G信号在海平面传播时，RSRP值随距离增大而下降，距离每增加1 km，信号电平值平均下降4.73 dBm，而下载速率下降则比较平缓，并始终保持在250 Mbps以上。相比之下，5G的峰值速率达到4G的10倍以上，时延达到10 ms以下，从而能够提供更大带宽、更低时延和更多链接，增加数据和视频传输的可靠性和稳定性。

表1 现场5G下载速率测试结果表

1.5 数据监测中心

数据监测中心作为数据和视频存储的平台，通过一系列软件应用和人机交互，实现数据和视频的接收、存储、解析、同步展示等一系列功能，主要包括手机移动终端App的发布[9]。

为了用户更方便地实时监测网箱的数据变化，开发手机移动终端App。通过在远程服务器创建应用，建立相应的数据库结构，增加App与数据监测中心的交互链路，在手机移动终端实现实时在线更新、展示视频和数据[10]。同时，App后台应用会对数据进行实时解析和处理，如果发现超出阈值范围就将预警信息推送至相关管理人员手机，实现真正意义的监测预警，发布流程如图4所示。

图4 手机App发布流程图

2 试验分析

系统在陵水黎族自治县网箱养殖基地站点进行了现场布放，如图5所示。同时在2019年11月8日至20日的时间周期内进行了连续的数据和视频采样分析，并总结出了温度、盐度、深度、溶解氧等参数的变化规律。

图5 网箱养殖在线监测系统布放现场图

水温在该时间阶段内大致呈下降趋势，平均水温保持在26.7 ℃左右。受到外来水团或者天气原因的影响，该观测时段内的盐度呈下降趋势且变化较为平稳，平均盐度基本保持在29.43 psu左右。水下固定装置悬于网箱中间位置，因此传感器测量水位深度的变化基本符合网箱上下浮动的水位潮周期变化，但在12日有明显的水位涨幅，并且由于天气恶劣引起的海上风浪较大，导致当日测量的平均水位较高。由于观测设备周围的微生物附着和鱼类群聚变化不定，导致溶解氧在该时段内上下波动明显且浓度较低，平均浓度大约保持在3.88 mg·L-1，如图6所示。

图6 水文生态要素时序变化图

水下高清视频可以更加清晰地了解网箱鱼类等生物的生长状况，同时可以调节水下监测设备高度来观察网箱底部有无漏网等现象，在一定程度上切实保障网箱养殖的经济效益，避免造成巨大损失，水下实况高清视频截图如图7所示。

图7 水下高清视频截图

3 结论

本文提出的一种基于5G通信技术的网箱养殖在线监测系统设计方案，系统在陵水黎族自治县网箱养殖海域进行成功布放和业务化运行，是海南省首个结合深海网箱养殖业开展的5G试点项目。采用新型的5G网络通信技术，数据传输速度更快，可靠性更高，克服了连接通信电缆麻烦等难题，有效解决深远海通信需求，实现了对网箱养殖海域的温度、盐度、深度、溶解氧等常规水文生态要素和水下高清视频的连续、实时、在线监测。通过对获取的实时数据进行分析和验证，总结水质长时间变化和养殖鱼类等生物的健康状况和动态变化规律，对于了解网箱养殖的生态状况、量化风险评估和进行预警等具有重要的科学意义。