深水養(yǎng)殖水質(zhì)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

陳 亮，江 濤，閆秀英，徐 元，鄧 銳(.廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院，廣東湛江505;.廣東醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，廣東湛江500;3.廣東海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，廣東湛江505;.中國(guó)海洋大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，山東青島66033)

深水海域遠(yuǎn)離海岸且相對(duì)開放，水質(zhì)較好，海水流動(dòng)性好、自凈化能力也較強(qiáng)。國(guó)外以挪威為代表的深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖取得了巨大成功，相比傳統(tǒng)網(wǎng)箱養(yǎng)殖，深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖取得更顯著的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益。目前國(guó)家和各級(jí)政府投入了大量資金開展深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的引進(jìn)、吸收、開發(fā)，先后在山東、浙江、廣東、海南等地取得了許多成功經(jīng)驗(yàn)，使深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)成為海產(chǎn)品養(yǎng)殖發(fā)展的趨勢(shì)。全面發(fā)展深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖，是轉(zhuǎn)變漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要途徑，是提升漁業(yè)產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要載體，是引領(lǐng)漁民增收致富的重要渠道，是優(yōu)化海洋生態(tài)環(huán)境的重要舉措。雖然深水海域海水流動(dòng)性比較好，但僅僅通過海水流動(dòng)性無法改善深水養(yǎng)殖場(chǎng)區(qū)的水質(zhì)［1］。為了探索深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)養(yǎng)殖海域環(huán)境的實(shí)際影響，為理論研究和科學(xué)養(yǎng)殖提供可靠、有效數(shù)據(jù)［2－3］，筆者介紹了一種基于北斗“短信息”服務(wù)的水質(zhì)采集、監(jiān)測(cè)方法，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)采集水質(zhì)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式主要有2種:一是人工采集;二是基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的方式采集。人工采集方式無法做到全天候、實(shí)時(shí)采集，而且人力成本也比較高;而無線方式采集又嚴(yán)重受制于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍［4－5］。

針對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋范圍也比較廣［6－8］，同時(shí)可以提供有效的報(bào)文服務(wù)，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)基于北斗報(bào)文信息服務(wù)的實(shí)時(shí)深水養(yǎng)殖水質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖1)。

將深水養(yǎng)殖區(qū)多參數(shù)水質(zhì)傳感器采集到的海水pH、水溫、鹽度、溶解氧、氮、磷等水質(zhì)數(shù)據(jù)，及時(shí)可靠地經(jīng)由北斗衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸回?cái)?shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心接收數(shù)據(jù)后，將接收后的數(shù)據(jù)信息解析后存入水質(zhì)因子數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行處理，如果發(fā)現(xiàn)超出閾值預(yù)警范圍或系統(tǒng)設(shè)置要求，再次將數(shù)據(jù)信息及預(yù)警信息通過移動(dòng)通信網(wǎng)發(fā)送到相關(guān)管理人員的手機(jī)。相關(guān)管理人員根據(jù)當(dāng)前水質(zhì)情況，可以經(jīng)由移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)及時(shí)將相關(guān)指令傳回?cái)?shù)據(jù)處理中心，如提高水質(zhì)采集頻率、修改水質(zhì)預(yù)警閾值范圍等，數(shù)據(jù)處理中心在接收用戶指令后，通過北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，將相關(guān)指令送達(dá)深水養(yǎng)殖中心站，中心站立即執(zhí)行相關(guān)指令修改或查詢。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

1.1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)(BDS)，是繼美全球定位系統(tǒng)(GPS)和俄GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具有短報(bào)文通信能力［9］。

1.2 北斗“短信息”服務(wù) 北斗星通公司的北斗定位通信終端模塊指令根據(jù)不同的功能分為6類，分別為狀態(tài)類指令、定位類指令、通信類指令、查詢類指令、授時(shí)類指令和GPS類指令。通信內(nèi)容以指令的方式表示，指令內(nèi)容用ASCⅡ碼編碼，信息以字符串形式進(jìn)行傳輸?；诖?，設(shè)計(jì)了一種北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的北斗“短信息”服務(wù)，用于傳輸數(shù)據(jù)信息和指令信息。

1.3 采集系統(tǒng) 深水養(yǎng)殖中心環(huán)境采集系統(tǒng)如圖2所示。數(shù)據(jù)采集端的核心控制采用nRF24le1模塊，利用模塊上的集成單片機(jī)作為主控制芯片，模塊上的集成無線芯片進(jìn)行短距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，采用防水封裝的多參數(shù)水質(zhì)傳感器進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)的供電主要采用大容量的鋰電池和太陽(yáng)能電池進(jìn)行供電。

中心站和各分站之間采用查詢響應(yīng)模式，中心站為主模塊，各分站為從模塊，各從模塊響應(yīng)主模塊指令操作。其中從模塊主要用于定時(shí)發(fā)送多參數(shù)水質(zhì)傳感器采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)和響應(yīng)主模塊的各種指令請(qǐng)求，如查詢指令、設(shè)置指令等，主模塊將各從模塊采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)按一定格式編碼并經(jīng)由北斗導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)往地面數(shù)據(jù)處理中心。

圖2 環(huán)境采集系統(tǒng)

1.4 數(shù)據(jù)接收中心 數(shù)據(jù)中心對(duì)接收到的水質(zhì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析處理，存入水質(zhì)因子數(shù)據(jù)庫(kù)，并實(shí)時(shí)形成各種水質(zhì)數(shù)據(jù)曲線，當(dāng)某項(xiàng)水質(zhì)數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的閾值，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)將通過短信網(wǎng)關(guān)給相關(guān)管理人員發(fā)送預(yù)警信息。相關(guān)管理人員也可以根據(jù)需要使用自己的手機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)查詢水質(zhì)信息，或給數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)指令信息，如提高采樣頻率、查詢當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)處理中心接收到相關(guān)指令信息后，使用北斗發(fā)送陣列將相關(guān)指令實(shí)時(shí)反饋給水質(zhì)環(huán)境采集子系統(tǒng)的中心站進(jìn)行響應(yīng)處理。

2 采集系統(tǒng)

2.1 北斗接口模塊 主控端與北斗定位通信模塊連接如圖3所示。BDG-MF-06型數(shù)據(jù)傳輸終端主要是針對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集自動(dòng)傳輸領(lǐng)域設(shè)計(jì)的一款北斗終端產(chǎn)品。它采用的是標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，參數(shù)如下:

①傳輸速率:119 200 bps。

②傳輸格式:1 bit開始位，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit停止位。

2.2 軟件處理流程 該系統(tǒng)由分站模塊和中心站模塊兩部分組成，2個(gè)模塊之間采用無線通信模塊進(jìn)行組網(wǎng)通信。其中分站模塊，主要用于響應(yīng)中心站指令請(qǐng)求，進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)采集工作，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由三無線通信模塊發(fā)送回中心站。中心站模塊工作流程如圖4所示。

圖3 北斗定位通信模塊連接示意

(1)中心站定時(shí)器計(jì)時(shí)到時(shí)，各分站下發(fā)定時(shí)采集指令，各分站實(shí)時(shí)采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)反饋給中心站，中心站選擇短信息或北斗將各分站采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)信息傳送到地面數(shù)據(jù)中心。

(2)中心站接收到地面數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)采集指令后，給各分站下發(fā)實(shí)時(shí)采集指令，分站接收指令后，采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)反饋給中心站，中心站選擇短信息或北斗將各分站采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)信息傳送到地面數(shù)據(jù)中心。

(3)中心站接收到地面數(shù)據(jù)中心參數(shù)修改指令，及時(shí)修改采集計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)或其他采集參數(shù)。

圖4 采集中心站工作流程

3 數(shù)據(jù)接收中心

數(shù)據(jù)接收中心分別處理深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域的水質(zhì)數(shù)據(jù)信息和用戶發(fā)送的管理指令信息，將采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)解析處理后，存入水質(zhì)因子數(shù)據(jù)庫(kù)，以供分析預(yù)警;而用戶管理指令分為查詢指令和參數(shù)修改指令2種，其中查詢指令主要為要求環(huán)境采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)采集、當(dāng)前參數(shù)信息和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，參數(shù)修改指令主要為要求環(huán)境采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)修改系統(tǒng)參數(shù)。其執(zhí)行流程分別如圖5和圖6所示。

圖5 采集數(shù)據(jù)接收流程

圖6 用戶指令執(zhí)行流程

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 溫度數(shù)據(jù)曲線示意

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)地點(diǎn)位于東海島養(yǎng)殖基地，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2個(gè)月以上，試驗(yàn)主要進(jìn)行北斗“短信息”數(shù)據(jù)誤碼率、失敗率、重傳率和水質(zhì)數(shù)據(jù)示意。數(shù)據(jù)中心采集系統(tǒng)如圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如圖8、9所示。

圖9 溶解氧、pH值數(shù)據(jù)曲線示意

整個(gè)試驗(yàn)過程中，采集數(shù)據(jù)誤碼率約為0.09%，失敗重傳率約為0.23%。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，通信可靠，設(shè)計(jì)方案可行。

5 討論

傳統(tǒng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集方式，受制于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，或受制于人力成本，無法實(shí)時(shí)采集。為此，該研究探討了利用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的全方位覆蓋和“短信息”報(bào)文服務(wù)，提出建立一種可靠、快捷的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集方案，為探索深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖投料、藥物等可能對(duì)環(huán)境的影響提供了有效的研究數(shù)據(jù)，為后續(xù)水質(zhì)環(huán)境保護(hù)和預(yù)警奠定了基礎(chǔ)。

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