深水網(wǎng)箱中魚群與水質(zhì)環(huán)境的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

邵志文,許肖梅,張小康,涂星濱,吳劍明

(廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361005;廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院,福建廈門361102)

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深水網(wǎng)箱中魚群與水質(zhì)環(huán)境的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

邵志文,許肖梅*,張小康,涂星濱,吳劍明

(廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361005;廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院,福建廈門361102)

為了更好地開展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖中深水網(wǎng)箱中魚群狀態(tài)與水質(zhì)環(huán)境的安全監(jiān)測(cè),提出了一種深水網(wǎng)箱魚群與水質(zhì)環(huán)境安全遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．該系統(tǒng)使用聲學(xué)方式對(duì)魚群分布狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；同時(shí)采用傳感器對(duì)水質(zhì)環(huán)境的溫度、溶解氧、pH值等進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)時(shí)傳送至微處理器,完成信號(hào)去噪、數(shù)據(jù)提取、顯示及報(bào)警等．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,結(jié)合嵌入式控制技術(shù)與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),監(jiān)測(cè)操作簡(jiǎn)便,移動(dòng)性好;同時(shí)兼顧魚群與水質(zhì)環(huán)境安全,監(jiān)測(cè)更全面到位,在推廣深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖安全配套設(shè)施上具有良好的應(yīng)用前景．

深水網(wǎng)箱;魚群;水質(zhì)環(huán)境;聲學(xué)監(jiān)測(cè);遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖是我國(guó)開發(fā)和利用海洋可持續(xù)水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要方向,日漸成為我國(guó)農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一[1]．深水網(wǎng)箱一般布放在離岸數(shù)千米外,水深15～40 m的海域,遠(yuǎn)離沿岸使得深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖具有水體交換好、養(yǎng)殖容量大、集約化程度高等優(yōu)勢(shì),但同時(shí)也帶來(lái)了一系列新的挑戰(zhàn)：惡劣的天氣條件和多變的海洋環(huán)境威脅到水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的安全及運(yùn)行[2-3]．依靠人工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)操作,不僅成本高、難度大,而且異常情況反饋往往不夠及時(shí)．因此根據(jù)深水網(wǎng)箱所處環(huán)境條件的特殊性,要進(jìn)一步降低養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)，提高養(yǎng)殖生產(chǎn)力,就亟需構(gòu)建配套的網(wǎng)箱魚群安全監(jiān)測(cè)設(shè)備．

針對(duì)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖中如網(wǎng)衣破損、魚群逃逸等安全問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者提出了聲學(xué)警戒帶、魚群數(shù)量監(jiān)測(cè)等方案．如我國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院研制的高頻、窄脈沖和分裂波束魚群監(jiān)測(cè)系統(tǒng);以及廈門大學(xué)研制的多波束深水網(wǎng)箱魚群狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等[4-7]．但單獨(dú)對(duì)魚群的監(jiān)測(cè)并無(wú)法全面掌控養(yǎng)殖過(guò)程中水質(zhì)等其他安全要素．魚群的生長(zhǎng)與安全狀態(tài)對(duì)生存環(huán)境有很強(qiáng)的依賴性,如水溫變化過(guò)大、缺氧等均會(huì)對(duì)魚體造成過(guò)大應(yīng)激反應(yīng),影響其攝食、產(chǎn)卵等行為,甚至導(dǎo)致魚群死亡．因此,深水網(wǎng)箱魚群安全監(jiān)測(cè)中除了對(duì)魚群狀態(tài)及數(shù)量的監(jiān)測(cè)外,養(yǎng)殖中的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)也是不容忽視的重要環(huán)節(jié)．雖然養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)的工作也有大量研究[8-9],但大部分也只提取了水質(zhì)的相關(guān)信息,沒(méi)能直觀監(jiān)測(cè)到魚群狀態(tài)．

本研究提出基于聲學(xué)換能器以及測(cè)量水溫、溶解氧、pH等參數(shù)的多種傳感器,輔以嵌入式水聲數(shù)據(jù)控制技術(shù)與遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),構(gòu)建深水網(wǎng)箱中魚群與水質(zhì)環(huán)境的安全監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),全面監(jiān)控深水網(wǎng)箱中魚群活動(dòng)狀態(tài)及其生存環(huán)境(如溫度、深度、溶解氧、pH值等),為深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖提供實(shí)時(shí)、有效的環(huán)境信息,一旦發(fā)現(xiàn)安全隱患時(shí),可及時(shí)提醒用戶采取補(bǔ)救措施,大大提高養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)的防范能力．

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

深水網(wǎng)箱魚群與水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架如圖1所示．

圖1　深水網(wǎng)箱魚群與水質(zhì)環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Fig.1Structure diagram of monitoring system for fish and water quality

深水網(wǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)功能和布置位置可分為感知層、傳輸層和用戶層3個(gè)功能主體．感知層作為網(wǎng)箱監(jiān)測(cè)端,布放于海上深水網(wǎng)箱中現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù),一方面選用200 kHz的聲脈沖調(diào)制信號(hào)對(duì)魚群豐度和分布進(jìn)行監(jiān)測(cè),另一方面采用水質(zhì)傳感器對(duì)水溫、溶解氧、酸堿度等水質(zhì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè);數(shù)據(jù)采集后通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)時(shí)傳送至岸上便攜式用戶終端;用戶層采用嵌入式微處理器配以7英寸(1英寸=2.54 cm)液晶觸摸屏,完成監(jiān)測(cè)結(jié)果的顯示與儲(chǔ)存,當(dāng)出現(xiàn)魚群量驟減,溫度、溶氧、酸堿度超限等異常情況,自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警功能．

2　感知層硬件設(shè)計(jì)

感知層布放在海上網(wǎng)箱現(xiàn)場(chǎng),以STM32微控制器為核心,控制各路傳感器進(jìn)行深水網(wǎng)箱魚群活動(dòng)狀態(tài)與水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)．采用12 V電源供電,由岸上用戶便攜式終端遠(yuǎn)程控制．圖2是感知層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖．

圖2　感知層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2System architecture of the sensing layer

2.1魚群狀態(tài)聲學(xué)監(jiān)測(cè)

魚類作為養(yǎng)殖對(duì)象,魚群活動(dòng)狀態(tài)是深水網(wǎng)箱監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)．目前,聲學(xué)監(jiān)測(cè)方式具有快速準(zhǔn)確、覆蓋面廣、預(yù)報(bào)及時(shí)而又不損害魚類資源等優(yōu)點(diǎn)[10],已被廣泛應(yīng)用于漁業(yè)資源的監(jiān)測(cè)評(píng)估中．魚類聲學(xué)探測(cè)中選用38～400 kHz的中高頻探測(cè)信號(hào),脈沖寬度取0.2～1.0 ms,可獲得較佳的探測(cè)距離和目標(biāo)分辨率．系統(tǒng)中采用的頻率為200 kHz,脈沖寬為0.2 ms的短時(shí)脈沖調(diào)制信號(hào)．聲探測(cè)信號(hào)的收發(fā)機(jī)制如圖3所示,由STM32微控制器GPIOF_6管腳使能信號(hào)發(fā)生器,后通過(guò)功率放大器將探測(cè)信號(hào)幅度放大至600 V,以滿足網(wǎng)箱大范圍探測(cè)要求．接收到的魚群反向散射信號(hào)相當(dāng)微弱,且疊加了電路自身噪聲與環(huán)境噪聲,需將回波信號(hào)進(jìn)行放大濾波等預(yù)處理．

圖3　聲學(xué)探測(cè)收發(fā)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3Structure diagram of acoustics transceiver

2.2環(huán)境參數(shù)傳感器監(jiān)測(cè)

海洋水質(zhì)環(huán)境具有多樣性、多變性和偏僻分散等特點(diǎn),而魚類對(duì)水質(zhì)環(huán)境變化非常敏感,少許的變化就可能引起魚類的警覺(jué),使魚類暫時(shí)逃避或停止攝食．因此,海水水質(zhì)環(huán)境是深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵參數(shù)．本研究主要考慮的水質(zhì)環(huán)境參數(shù)有:

1) 溫度．系統(tǒng)中選用DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20型智能溫度傳感器,這是一個(gè)數(shù)字溫度采集傳感器,可提供9～12 bit的攝氏溫度測(cè)量精度．DS18B20采用單線通信即只需一根數(shù)據(jù)線與微控制器進(jìn)行通信,無(wú)需其他外圍電路即可測(cè)得溫度數(shù)據(jù),極大地減少了外圍硬件電路的開銷,讀取和使用都很方便．測(cè)量溫度范圍為-55～125 ℃．

2) 溶解氧．本系統(tǒng)中選用北京博海科技DOB-300C型溶解氧傳感器,其測(cè)量范圍是0～20 mg/L,分辨率0.01 mg/L,工作溫度范圍:0～60 ℃．一般海水養(yǎng)殖需要的溶解氧是3～6 mg/L,故該傳感器可滿足測(cè)量范圍．此款傳感器是覆膜式電流式傳感器,最大輸出電流3.5 μA,因此需要在后續(xù)電路中添加信號(hào)調(diào)理電路,將信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～3.3 V輸出,以便模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)采樣．

3) pH值．采用PHB-100T型pH值傳感器進(jìn)行深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域的pH值監(jiān)測(cè),其測(cè)量范圍為0～14,精度為0.02，滿足了對(duì)海水養(yǎng)殖pH變換范圍及精度要求．由于pH值傳感器輸出的信號(hào)幅度比較低,同樣需要添加信號(hào)調(diào)理電路與放大電路．

3　用戶層數(shù)據(jù)處理與顯示

用戶層監(jiān)控平臺(tái)的開發(fā)是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的LPC1788微控制器,完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和各種相關(guān)數(shù)據(jù)、圖像的處理與顯示．借助嵌入式圖形用戶界面系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔友好的人機(jī)界面,界面元素主要包含文本、按鈕和位圖等．用戶層監(jiān)測(cè)平臺(tái)的系統(tǒng)框架與監(jiān)控界面如圖4所示．用戶層監(jiān)控儀具備小體積、低功耗、高性能且低成本的優(yōu)勢(shì),結(jié)合無(wú)線傳輸,可大大提高用戶戶外操作的機(jī)動(dòng)性與靈活性．

圖4　用戶監(jiān)測(cè)終端內(nèi)部原理框架與監(jiān)控界面Fig.4Internal principle diagram and display interface of user monitoring terminal

系統(tǒng)工作流程:首先通過(guò)RS232串口向網(wǎng)箱現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)送相關(guān)操作指令,接收到應(yīng)答信號(hào)后進(jìn)入接收狀態(tài),接收來(lái)自各傳感器監(jiān)測(cè)到的魚群狀態(tài)與水質(zhì)環(huán)境相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù),并將其直接存入存儲(chǔ)設(shè)備中,形成深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖安全監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù);其次,將接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理與分析,完成電壓值到參數(shù)實(shí)際值的轉(zhuǎn)換以及魚群回波信號(hào)的提取與積分,并判斷各參數(shù)值是否出現(xiàn)異常;最后將獲取到的信息以文本、圖像形式顯示在分辨率為800×480的7英寸液晶觸摸屏上．

由于溶解氧、pH值等水質(zhì)參數(shù)傳感器經(jīng)過(guò)定期校準(zhǔn),其測(cè)量誤差較小,故本文中的數(shù)據(jù)分析處理的重點(diǎn)是魚群回波信號(hào)．首先,魚群探測(cè)換能器接收到的聲波除了來(lái)自魚類的反向散射信號(hào),還包含背景噪聲．為抑制背景噪聲干擾,先在監(jiān)測(cè)水域中進(jìn)行水下背景噪聲采集,求其均值作為目標(biāo)回波信號(hào)閾值門限．

另外,當(dāng)探測(cè)距離足夠大時(shí)會(huì)接收到網(wǎng)衣反向散射回波,若不剔除該回波,同樣會(huì)將其誤判為魚群回波,進(jìn)而影響魚群狀態(tài)判斷．為了實(shí)時(shí)識(shí)別網(wǎng)衣回波,需將相鄰脈沖探測(cè)到的位置結(jié)果進(jìn)行比較判決．根據(jù)網(wǎng)衣回波位置較遠(yuǎn)且基本不變的特性,每一次脈沖探測(cè)中可以容易地鑒別出網(wǎng)衣回波,進(jìn)而避免誤判．

回波強(qiáng)度圖能直觀反映魚群活動(dòng)狀態(tài),系統(tǒng)將魚群回波幅度值分為256個(gè)等級(jí),分別對(duì)應(yīng)藍(lán)色與紅色間256種色彩級(jí)別,藍(lán)色代表強(qiáng)度等級(jí)為0,紅色代表強(qiáng)度等級(jí)為255．每次探測(cè)到的數(shù)據(jù)按該方式自左向右顯示在屏幕上實(shí)時(shí)刷新,形成回聲強(qiáng)度圖．

水中溫度、溶解氧含量、pH值的監(jiān)測(cè)結(jié)果直接以文本字符形式顯示,同時(shí)根據(jù)養(yǎng)殖魚類生存對(duì)水質(zhì)環(huán)境的要求,對(duì)這些參數(shù)值安全范圍設(shè)限,溶解氧含量低于3 mg/L,pH低于6.5或高于9時(shí),便攜式用戶監(jiān)控終端以LED燈閃爍的方式發(fā)出警報(bào)．不同養(yǎng)殖魚類對(duì)水溫的容忍度差異較大,水溫的設(shè)限需根據(jù)養(yǎng)殖對(duì)象來(lái)確定．

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本課題組于2015年5月13日在福建平海灣海域不同位置進(jìn)行定點(diǎn)水下實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)區(qū)無(wú)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖．將DS18B20水溫探頭和水聲學(xué)換能器置于海水表層中,換能器垂直向下探測(cè)．測(cè)得當(dāng)日午后海水表層溫度在21.4 ℃左右,不同測(cè)點(diǎn)位置水深不同,聲探測(cè)結(jié)果如圖5所示．

圖5　平海灣海域聲學(xué)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5Result of acoustic detection at Pinghai Bay

在無(wú)網(wǎng)箱養(yǎng)殖情況下,水體中無(wú)目標(biāo)物,接收換能器僅接收到海底的強(qiáng)回波．可以發(fā)現(xiàn):在測(cè)點(diǎn)1中,換能器距離海底12 m;測(cè)點(diǎn)2中,從監(jiān)測(cè)開始,隨著換能器緩慢從水面上置入水中,回波從無(wú)到有,且測(cè)得換能器與海底的距離由24.6 m逐漸減小并穩(wěn)定在23.4 m．

本課題組還在泉州圍頭港海域的深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了網(wǎng)箱監(jiān)測(cè),網(wǎng)箱為直徑約12 m,高度6 m的圓柱體,網(wǎng)箱養(yǎng)殖的真鯛(Paqrusmajor)個(gè)體長(zhǎng)度分布在20～30 cm之間,個(gè)體質(zhì)量約為1 kg,其中網(wǎng)箱Ⅰ內(nèi)真鯛約有1 000尾,網(wǎng)箱Ⅱ內(nèi)約有1 600尾．換能器置于網(wǎng)箱內(nèi)部,根據(jù)網(wǎng)箱空間尺寸,設(shè)置聲探測(cè)距離為9 m,監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示．

圖6　深水網(wǎng)箱魚群聲學(xué)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.6Detecting images of two offshore fish cages

從圖像的密度分布和顏色變化可以很直觀地看出網(wǎng)箱內(nèi)部魚群的空間分布情況和魚群量的大?。谏钏W(wǎng)箱內(nèi),回波強(qiáng)度變化顯著,魚群狀態(tài)活躍．網(wǎng)箱Ⅰ中魚群量較少,回波圖像相對(duì)稀疏,回波強(qiáng)度??；網(wǎng)箱Ⅱ回波圖像密集,回波強(qiáng)度大．但由于200 kHz頻率的換能器指向性尖銳,風(fēng)浪、潮流等將引起接收換能器的擺動(dòng),同時(shí)高密度魚群將遮擋網(wǎng)衣回波信號(hào),這些因素都會(huì)使網(wǎng)衣回波信號(hào)變?nèi)?甚至接收不到．

圖7是近24 h水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線,可以看出:該段時(shí)間內(nèi),各水質(zhì)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)．水溫波動(dòng)范圍為13.6～16.0 ℃,溶解氧水平維持在5 mg/L左右,pH值也相對(duì)穩(wěn)定保持在7～8之間．

圖7　水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7Result of water quality environmental monitoring

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、可靠地完成深水網(wǎng)箱中魚群與水質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳送以及顯示,而且系統(tǒng)人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)便、信息顯示清晰明確．與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比,該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):安全監(jiān)測(cè)更全面到位,對(duì)深水網(wǎng)箱安全監(jiān)測(cè)不僅考慮魚群分布與豐度,而且也兼顧水質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測(cè);監(jiān)測(cè)工作更靈活,系統(tǒng)結(jié)合無(wú)線傳輸技術(shù)與嵌入式技術(shù),克服了電纜長(zhǎng)度有限、監(jiān)控機(jī)身龐大、耗電大等問(wèn)題,大大提高了戶外監(jiān)測(cè)操作的機(jī)動(dòng)性．這對(duì)降低養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn),提高養(yǎng)殖效率,實(shí)現(xiàn)深水網(wǎng)箱安全健康養(yǎng)殖具有重要意義．

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Environment Security Monitoring System for Offshore Caged Fish and Water Quality

SHAO Zhiwen,XU Xiaomei*,ZHANG Xiaokang,TU Xingbin,WU Jianming

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology, Ministry of Education, Xiamen University,Xiamen 361005,China;School of Ocean & Earth,Xiamen University,Xiamen 361102,China)

Environment monitoring of fish activity state and water quality is the key to offshore cage safety management.A remote monitoring system for offshore caged fish and water quality is developed in the research.The fish distribution and abundance are monitored strategically using acoustic transducers in the system.Meanwhile,some parameters of water quality are obtained using various sensors,such as temperature sensor,dissolved oxygen sensor and pH sensor.Then the collected data are sent to the user monitor terminal in real time through wireless transmission module.Finally,the results are displayed on a 7-inch liquid crystal display screen (LCD) after data processing.The experiment has been conducted to verify the excellent performance of this system.Combined with embedded control technology and wireless data transmission technology,the flexibility and mobility are improved significantly.Besides,both fish activity and water quality are taken into account,making the monitoring more comprehensive.The results suggest that the system has good application prospects.

offshore cage;fish;water quality environment;acoustic monitoring;remote monitoring

10.6043/j.issn.0438-0479.201603104農(nóng)業(yè)生產(chǎn)專題

2016-03-30錄用日期：2016-07-22

國(guó)家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201505027-2)

xmxu@xmu.edu.cn

邵志文,許肖梅,張小康,等.深水網(wǎng)箱中魚群與水質(zhì)環(huán)境的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016,55(5)：749-753.

SHAO Z W,XU X M,ZHANG X K,et al．Environment security monitoring system for offshore caged fish and water quality[J].Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(5)：749-753．(in Chinese)

TP 733.23

A

0438-0479(2016)05-0749-05