深海網(wǎng)箱智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嚴(yán) 謹(jǐn) 李江豐 黃 超 張大朋

（廣東海洋大學(xué)，湛江 524088）

海洋占地球表面積的71%，是人類今后發(fā)展的重要資源。我國(guó)海洋資源極為豐富，并已將海洋相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展納入重點(diǎn)規(guī)劃項(xiàng)目。漁業(yè)是海洋生物資源開(kāi)發(fā)利用的主要途徑之一。作為占世界漁業(yè)養(yǎng)殖總產(chǎn)量70%的漁業(yè)大國(guó)，我國(guó)海水養(yǎng)殖將是解決糧食供給可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題的重要途徑。目前，國(guó)外主要采用建設(shè)海洋牧場(chǎng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)保的養(yǎng)殖活動(dòng)。它的主要特點(diǎn)是利用自然或人工布設(shè)的魚(yú)礁作為天然養(yǎng)殖環(huán)境，投放人工培育的種苗，利用海洋中的天然餌料進(jìn)行養(yǎng)殖。我國(guó)在遼寧、山東以及浙江等省份已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；暮Ｑ竽翀?chǎng)，出現(xiàn)了獐子島、威海以及連云港等多個(gè)成功的典型模式。但是，在養(yǎng)殖過(guò)程中，海水污染、天氣溫度以及海水鹽分等變化都會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類死亡，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控是深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖不容忽視的重要環(huán)節(jié)[1]。因此，建立一個(gè)能夠收集和處理不同深度水文水質(zhì)立體信息、能夠提供實(shí)時(shí)水下視頻、能夠存儲(chǔ)和分析海洋牧場(chǎng)各類信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將是海洋牧場(chǎng)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

深海網(wǎng)箱智能監(jiān)控系統(tǒng)是一種成熟的基于公共信息平臺(tái)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，采用了典型物聯(lián)網(wǎng)的4層架構(gòu)。感知層用于收集海洋牧場(chǎng)數(shù)據(jù)，并由傳輸層將數(shù)據(jù)匯總至岸基數(shù)據(jù)庫(kù)。采集的各類環(huán)境數(shù)據(jù)與歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、生物特征數(shù)據(jù)、科研實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等其他來(lái)源數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中共同形成縱橫相關(guān)的大數(shù)據(jù)，最后由服務(wù)層中的專家系統(tǒng)進(jìn)行分析，在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)獲得監(jiān)測(cè)參數(shù)，方便了漁民或者研究人員觀察各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)變化，并實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境的控制[2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

深海網(wǎng)箱智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件由定點(diǎn)漁情監(jiān)控系統(tǒng)、移動(dòng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器組成。定點(diǎn)漁情監(jiān)控系統(tǒng)部署于海上，可搭載水下攝像機(jī)/照明燈、水質(zhì)傳感器等各類信息感知與采集單元，同時(shí)配備有現(xiàn)場(chǎng)控制器、設(shè)備控制器等數(shù)據(jù)預(yù)處理和動(dòng)作執(zhí)行模塊，實(shí)現(xiàn)融合采集、處理以及控制的智能節(jié)點(diǎn)功能。漁情監(jiān)控系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)中心傳遞到移動(dòng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，使得用戶可以隨時(shí)通過(guò)環(huán)境監(jiān)控設(shè)備收集海洋牧場(chǎng)的各類數(shù)據(jù)信息，以便分析當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)是否出現(xiàn)水體污染和是否適合養(yǎng)殖魚(yú)類。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 智能監(jiān)控系統(tǒng)的組成

2.1 云臺(tái)式水上攝像機(jī)

云臺(tái)式水上攝像機(jī)如圖2所示，采用1 080 P高清變焦數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，配備360°旋轉(zhuǎn)云臺(tái)和照明燈，可有效監(jiān)控網(wǎng)箱周圍環(huán)境。攝像機(jī)具備20倍光學(xué)變焦，可清晰觀察遠(yuǎn)近目標(biāo)，擁有150 m紅外陣列，確保日夜和不良天氣條件下的不間斷監(jiān)控。設(shè)備整體達(dá)到了IP66防護(hù)水平，能夠在海上長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

圖2 云臺(tái)式水上攝像機(jī)

2.2 定點(diǎn)式水下攝像機(jī)和照明燈

圖3為定點(diǎn)式水下攝像機(jī)。它的電子部分選用1 080 P高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，定焦鏡頭，可達(dá)到實(shí)時(shí)高清數(shù)字視頻的采集和輸出。結(jié)構(gòu)部分選用316L不銹鋼水密外殼，標(biāo)準(zhǔn)版工作深度50 m（最大可定制深度2 000 m）。照明燈選用進(jìn)口高亮度發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）制作，功率為10 W，亮度為900 lx。結(jié)構(gòu)部分選用316L不銹鋼水密外殼，標(biāo)準(zhǔn)版工作深度50 m（最大可定制深度2 000 m）。如果用戶需要，可定制帶有調(diào)光功能的大功率照明燈（50 W）。常規(guī)的在線海洋環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)只有水文水質(zhì)數(shù)據(jù)而沒(méi)有對(duì)應(yīng)生態(tài)狀況的信息，無(wú)法研究不同環(huán)境條件下的短期生態(tài)發(fā)展規(guī)律（這方面的研究一般在試驗(yàn)室條件下進(jìn)行，與實(shí)際海洋環(huán)境存在一定差異）。本系統(tǒng)中的高清水下攝像機(jī)及照明燈為海洋牧場(chǎng)水下監(jiān)控提供了重要的視頻信息，使有關(guān)的水文水質(zhì)數(shù)據(jù)與實(shí)際生態(tài)狀況產(chǎn)生了客觀聯(lián)系，為多源數(shù)據(jù)融合提供了依據(jù)。同時(shí)，視頻信息的引入實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生物量調(diào)查、在線病害診斷等服務(wù)。

圖3 定點(diǎn)式水下攝像機(jī)

2.3 水質(zhì)傳感器

水溫、pH值、鹽度（電導(dǎo)率）以及溶氧等各類水文水質(zhì)傳感器，通過(guò)RS-485將測(cè)量值傳入現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)。水質(zhì)傳感器作為傳統(tǒng)海洋環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分之一，已有較為廣泛的應(yīng)用。目前，比較常用的均為進(jìn)口傳感器，采購(gòu)成本較高，不適于大量、密集部署，且維修維護(hù)不便。本系統(tǒng)兼顧進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)傳感器，在有限的成本下實(shí)現(xiàn)盡可能大的部署范圍和適當(dāng)?shù)臏y(cè)量精度。圖4為水質(zhì)傳感器。

圖4 水質(zhì)傳感器

2.4 北斗定位系統(tǒng)

為保障浮體、浮式平臺(tái)的安全，方案采用和芯星通的UM220北斗定位系統(tǒng)確定設(shè)備位置。此模塊為北斗全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）雙模結(jié)構(gòu)，支持網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Assisted-Global Navigation Satellite System，A-GNSS）、差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Diあerential-Global Navigation Satellite System，D-GNSS）及慣性導(dǎo)航。既可工作在純北斗定位模式下，也可利用GPS信號(hào)聯(lián)合定位，提高精度，可為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)位置信息，監(jiān)控平臺(tái)的移動(dòng)情況。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)控制器

現(xiàn)場(chǎng)控制器用于從傳感器采集數(shù)據(jù)，并發(fā)往數(shù)據(jù)中心。若數(shù)據(jù)鏈中斷，可將所有數(shù)據(jù)暫存在本地。設(shè)備控制器還可控制水下機(jī)器人、照明燈以及投餌機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行。

2.6 太陽(yáng)能電池系統(tǒng)

系統(tǒng)配備一組200 W太陽(yáng)能電池板和鉛酸蓄電池組，用于系統(tǒng)供電。蓄電池系統(tǒng)可確保系統(tǒng)96 h供電。

2.7 遠(yuǎn)距離無(wú)線高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備

遠(yuǎn)距離無(wú)線高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備用于將收集的視頻、水質(zhì)以及水文等數(shù)據(jù)傳回?cái)?shù)據(jù)中心，并接收數(shù)據(jù)中心的指令。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備選用5.8 GHz高速網(wǎng)橋、海上使用扇區(qū)天線以及陸地配拋物面定向天線，可達(dá)到5 km以上的數(shù)據(jù)傳輸能力和300 Mb·s-1的傳輸速率。

2.8 監(jiān)控設(shè)備

方案采用1臺(tái)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和1臺(tái)硬盤(pán)錄像機(jī)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)聯(lián)入數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，視頻存入硬盤(pán)錄像機(jī)，并通過(guò)視頻與門(mén)戶服務(wù)和防火墻向外網(wǎng)用戶提供展示、搜索、查看、分析以及控制等功能。內(nèi)網(wǎng)用戶也能通過(guò)計(jì)算機(jī)獲取整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并控制各類監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集傳輸圖見(jiàn)圖5。

圖5 數(shù)據(jù)采集傳輸圖

2.9 牧場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

此數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含海洋牧場(chǎng)監(jiān)控平臺(tái)采集的各類水文、水質(zhì)以及視頻等數(shù)據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)增值服務(wù)的源頭數(shù)據(jù)。

2.10 監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)

此數(shù)據(jù)庫(kù)包含海洋牧場(chǎng)布設(shè)的監(jiān)控平臺(tái)信息，主要涉及坐標(biāo)、配置、維護(hù)記錄以及故障數(shù)據(jù)等內(nèi)容，用于評(píng)估整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3 系統(tǒng)安裝和調(diào)試運(yùn)行

3.1 安裝平臺(tái)

系統(tǒng)的定點(diǎn)漁情監(jiān)控系統(tǒng)將在港口內(nèi)安裝在浮體上，裝配和調(diào)試后放入網(wǎng)箱，利用繩索交叉固定在網(wǎng)箱中央。水下支架懸吊在水體下層。部署時(shí)需要注意水下支架的電纜應(yīng)留有足夠長(zhǎng)度，以適應(yīng)潮差和避讓錨纜。施工船只應(yīng)具備3 t以上的吊裝能力。

3.2 組裝調(diào)試過(guò)程

監(jiān)控平臺(tái)各模塊在部署前已進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試和聯(lián)網(wǎng)調(diào)試。部署到位后，先進(jìn)行供電系統(tǒng)測(cè)試，然后建立遠(yuǎn)程通信并測(cè)試帶寬，隨后逐一接入各模塊并完成分項(xiàng)調(diào)試。監(jiān)控平臺(tái)測(cè)試一周后，岸上中控室確認(rèn)調(diào)試數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)各數(shù)據(jù)正常后，即可接入在線系統(tǒng)，并網(wǎng)運(yùn)行。

3.3 軟件運(yùn)行

并網(wǎng)運(yùn)行后，在計(jì)算機(jī)終端輸入賬號(hào)密碼登錄網(wǎng)站，即可遠(yuǎn)程監(jiān)控深海網(wǎng)箱的具體情況，通過(guò)視頻監(jiān)控設(shè)備可觀察到網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚(yú)類的數(shù)量、生長(zhǎng)狀況以及健康狀況等。

4 系統(tǒng)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集分析

本文設(shè)計(jì)深海網(wǎng)箱智能監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控終端[3]，通過(guò)深海網(wǎng)箱智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)海洋水質(zhì)水溫、pH值、溶解氧以及鹽度4項(xiàng)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和分析，了解水溫、pH值、溶解氧和鹽度4種參數(shù)對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖的作用以及對(duì)魚(yú)類生長(zhǎng)狀況的影響，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠[4]。

4.1 水溫

由圖6可知：每天的水溫變化幅度不大，一般在1～2 ℃；最近15 d最低水溫為30.9 ℃，最高水溫為34.0 ℃。每天溫度變化較大的有4個(gè)極值點(diǎn)，水溫出現(xiàn)極值點(diǎn)的時(shí)間段一般為每天的07：30左右出現(xiàn)最低溫度，之后溫度逐漸升高，到下午17：00左右出現(xiàn)最高溫度，接著溫度迅速下降，21：30左右至第二天02：30左右，溫度趨于平緩，如圖7所示為1 d內(nèi)水溫變化情況。

圖6 15 d內(nèi)水溫變化情況

圖7 1 d內(nèi)水溫變化情況

4.2 pH值

如圖8所示，深海網(wǎng)箱所在海域的pH值變化幅度較小，15 d內(nèi)最低為7.9，最高為8.3，屬于適合魚(yú)類生長(zhǎng)的pH值區(qū)間。如果pH值突然變化，一般伴隨著當(dāng)?shù)丨h(huán)境會(huì)出現(xiàn)重大污染的情況，在自然環(huán)境中一般不會(huì)出現(xiàn)這種情況。歷史數(shù)據(jù)的折線圖反映了這段時(shí)間內(nèi)的pH變化趨勢(shì)，閾值處可以設(shè)置pH區(qū)間。合理的范圍設(shè)置有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，以便預(yù)防和處理。

圖8 15 d內(nèi)pH值變化情況

4.3 溶解氧濃度

大氣中的游離氧能夠溶入海水，海水中的溶解氧能夠逸入大氣。在海-氣界面上的這種交換，通常處于平衡狀態(tài)，因此海水中氧的消耗可以從大氣得到補(bǔ)充。海水中溶解氧的含量是海水化學(xué)的重要參數(shù)之一，也是海水水質(zhì)的重要指標(biāo)。它主要來(lái)源于大氣的溶解和海洋中藻類及浮游植物光合作用的釋放。海洋動(dòng)物的呼吸作用、生物尸體及生物排泄物的分解、海水中其他有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的氧化皆消耗溶解氧。被污染的海水溶解氧含量較天然海水低，甚至完全缺氧。海水中溶解氧含量與海水的溫度、鹽度有密切關(guān)系。水溫、鹽度升高，溶解氧含量下降；水溫、鹽度下降，溶解氧含量上升。此外，氣溫過(guò)高、養(yǎng)殖密度過(guò)大及藻類大量生長(zhǎng)繁殖，都會(huì)導(dǎo)致溶解氧濃度降低。如圖9所示，網(wǎng)箱水體中溶解氧值隨時(shí)間推移下降幅度較大，15 d內(nèi)從一開(kāi)始最高的10.88 mg·L-1變化到最低的0.91 mg·L-1。從圖10可以看出，網(wǎng)箱內(nèi)藻類大量生長(zhǎng)繁殖，可能是溶解氧低于正常值的原因。正常情況下，溶解氧低于3.00 mg·L-1時(shí)魚(yú)類已經(jīng)開(kāi)始死亡。但是，根據(jù)視頻情況來(lái)看，箱內(nèi)石斑魚(yú)仍然正常活動(dòng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是藻類附著在溶解氧傳感器上，密集的呼吸作用消耗了傳感器附近的溶解氧，造成溶解氧濃度的局部降低，而網(wǎng)箱內(nèi)水體的溶解氧整體處于正常范圍。

圖9 15 d內(nèi)溶解氧值變化情況

圖10 網(wǎng)箱附近的藻類圖

4.4 鹽度

海水鹽度因海域所處緯度位置不同而有差異，主要受緯度、河流、入海徑流以及洋流等的影響，一般海水的平均鹽度為35‰。在外?；虼笱?，影響鹽度的因素主要有降水、蒸發(fā)等；在近岸地區(qū)，鹽度則主要受河川徑流的影響。從低緯度到高緯度，海水鹽度的高低主要取決于蒸發(fā)量和降水量之差。蒸發(fā)量使海水濃縮，降水使海水稀釋。有河流注入的海區(qū)，海水鹽度一般較低。大洋中海水中的鹽度一般保持不變，近海內(nèi)范圍變化較大，15 d內(nèi)最低為28‰，最高為31.7‰，如圖11所示。鹽度處于正常范圍，適合魚(yú)類生長(zhǎng)。

圖11 15 d內(nèi)鹽度變化情況

4.5 結(jié)果與分析

監(jiān)控設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)中：水溫變化正常；pH值與鹽度變化范圍很小，影響不大；溶解氧含量逐步降低，可能由水藻繁殖引起，導(dǎo)致傳感器附近含氧量降低，需及時(shí)清洗設(shè)備?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)深海網(wǎng)箱智能監(jiān)控系統(tǒng)[5]，通過(guò)監(jiān)控設(shè)備全面管理和監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖環(huán)境，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證其性能，證明其具有高數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性和高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。憑借智能監(jiān)控設(shè)備，養(yǎng)殖戶可以更加方便地管理養(yǎng)殖生產(chǎn)，可以實(shí)時(shí)查看水環(huán)境狀態(tài)，便于第一時(shí)間處理異常情況，減少飼料浪費(fèi)和環(huán)境污染，為安全、綠色、高質(zhì)量的水產(chǎn)品生產(chǎn)提供保障，符合深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖的發(fā)展趨勢(shì)[6-7]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要論述深海網(wǎng)箱智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)可方便、快速地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)箱養(yǎng)殖信息的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸，為解決網(wǎng)箱中溫度和水質(zhì)數(shù)據(jù)采樣記錄以及數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸提供了一種可行性方法。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定的閾值范圍時(shí)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)終端及時(shí)獲知數(shù)據(jù)的變化，進(jìn)而對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)防控制和處理。此系統(tǒng)大大減輕了人員的工作量，提高了生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在湛江國(guó)聯(lián)南三島養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，應(yīng)用效果良好，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。