具有粒徑計數(shù)功能的可視化浮游生物拖網(wǎng)系統(tǒng)*

蔡文郁，溫端強(qiáng)，周展業(yè)，夏宏飛

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

具有粒徑計數(shù)功能的可視化浮游生物拖網(wǎng)系統(tǒng)*

蔡文郁，溫端強(qiáng)，周展業(yè)，夏宏飛

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

針對拖網(wǎng)在海洋環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，設(shè)計并實現(xiàn)了一款具有粒徑計數(shù)功能的可視化浮游生物拖網(wǎng)系統(tǒng)，通過使用搭配水下照明設(shè)備的高清攝像機(jī)以及激光浮游生物計數(shù)器收集浮游生物圖像及粒徑譜數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)使用千兆以太網(wǎng)、光纖網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP的實時傳輸協(xié)議將水下采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到甲板視頻監(jiān)控平臺，可以接收、顯示、存儲生物圖像和傳感器數(shù)據(jù)，并控制攝像機(jī)和燈的工作狀態(tài)。該系統(tǒng)所使用的高清攝像機(jī)和千兆以太網(wǎng)通信架構(gòu)使其能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)的圖像效果，激光浮游生物計數(shù)器使其能夠?qū)崿F(xiàn)水下浮游生物粒徑譜實時采集，以獲得便捷使用的效果。

浮游生物；粒徑譜；高清攝像；生物拖網(wǎng)

0　引言

隨著科技進(jìn)步與人類發(fā)展，人類日益增加的資源消耗與陸地資源逐漸匱乏的矛盾越來越突出。近些年的淺海開發(fā)很多，但是對深海的開發(fā)卻很有限。浮游生物粒徑譜反映了海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及系統(tǒng)內(nèi)部的聯(lián)系，因此具有粒徑計數(shù)功能的設(shè)備能更好地幫助進(jìn)行海底環(huán)境監(jiān)測和資源開發(fā)。另外，可視化技術(shù)是一種直觀的海洋觀測技術(shù)，過去可視化觀測主要依賴于傳統(tǒng)相機(jī)，視頻存儲依靠存儲卡，不具備實時監(jiān)控功能，也無法實現(xiàn)長期的可視化觀測。本文設(shè)計了具有粒徑技術(shù)功能的可視化浮游生物拖網(wǎng)系統(tǒng)，同時搭載浮游生物計數(shù)器及高清攝像頭，并結(jié)合以太網(wǎng)傳輸解決上述問題，實現(xiàn)了高品質(zhì)實時視頻監(jiān)控以及浮游生物粒徑譜檢測，彌補了深海探測這一領(lǐng)域的不足。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)以千兆以太網(wǎng)框架作為傳輸途徑，提出了一種設(shè)計方案，該系統(tǒng)集成了多種技術(shù)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括甲板視頻監(jiān)控平臺和水下電子系統(tǒng)兩部分，其中甲板視頻監(jiān)控平臺由LOPC PC端軟件、拖網(wǎng)甲板控制單元、甲板控制端、甲板通信機(jī)組成。另外，水下電子系統(tǒng)由水下控制倉、IP攝像機(jī)、LOPC主機(jī)、拖網(wǎng)主機(jī)和傳感器組成。

1.2系統(tǒng)工作原理

甲板視頻控制平臺與水下電子系統(tǒng)通過光纜連接，光纜長度約為10 km，電源通過光纜為水下電子系統(tǒng)提供高壓電源，甲板操作監(jiān)控平臺與水下系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與控制命令交互也通過光纜傳輸。

甲板操作監(jiān)控平臺上的PC主機(jī)用于顯示浮游生物形態(tài)圖像及粒徑譜數(shù)據(jù)。水下控制倉用于控制攝像機(jī)、探照燈、高度計等設(shè)備的工作狀態(tài)，控制命令通過甲板操作監(jiān)控平臺發(fā)送控制命令進(jìn)行控制；水下電源轉(zhuǎn)換模塊將高壓轉(zhuǎn)換為各個模塊所需的工作電壓；光纖轉(zhuǎn)換器用于光/電信號的轉(zhuǎn)換，方便光纜與以太網(wǎng)電纜的轉(zhuǎn)接；串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊配合光纖轉(zhuǎn)換器和交換器將以太網(wǎng)電纜信號與串口信號互相轉(zhuǎn)換，從而連接甲板操作監(jiān)控平臺與水下控制單元的通信；交換機(jī)用于各個模塊與設(shè)備的連接。

LOPC主機(jī)與拖網(wǎng)主機(jī)通過 RS-232總線與水下控制倉進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，水下控制倉將從LOPC主機(jī)、拖網(wǎng)主機(jī)收到的數(shù)據(jù)打包，分別通過串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊及光纖收發(fā)器發(fā)送至甲板監(jiān)控平臺，甲板監(jiān)控平臺再將數(shù)據(jù)分別通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送至LOPC上位機(jī)、拖網(wǎng)上位機(jī)、甲板控制端上位機(jī)，甲板控制端上位機(jī)通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送指令給水下控制倉，水下控制倉根據(jù)指令控制繼電器的開斷，繼而控制控制倉外接設(shè)備的工作狀態(tài)，同時上傳控制倉內(nèi)GY85九軸傳感器、高度計等傳感器數(shù)據(jù)至甲板控制端上位機(jī)并顯示。

1.3浮游生物粒徑譜監(jiān)測及生物圖像采集

系統(tǒng)對浮游生物粒徑譜的監(jiān)測使用了來自勞斯萊斯公司發(fā)明的激光浮游生物計數(shù)器(LOPC)及拖網(wǎng)應(yīng)用，如圖2所示。它能為用戶提供高分辨率、高密度的實時浮游生物數(shù)據(jù)采集以及顯示，對于1 500μm～35 000μm范圍內(nèi)的多要素浮游生物可顯示微粒的外形輪廓，浮游生物數(shù)量采集范圍高達(dá) 1 000μm～35 000μm，并且具有很低的重復(fù)幾率。此外還能通過上位機(jī)界面實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)采集及顯示，從而使得用戶可以在線對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、高效的觀察和處理。

圖2　激光浮游生物計數(shù)器及拖網(wǎng)應(yīng)用圖

本系統(tǒng)針對水下浮游生物的可視化監(jiān)測使用了來自Imaging Source公司 23Series TIS_GigE系列 DFK23G274攝像機(jī)，最高幀數(shù)達(dá)到20 f/s。視頻數(shù)據(jù)通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送至甲板監(jiān)控平臺，甲板監(jiān)控平臺通過上位機(jī)軟件進(jìn)行圖像的顯示和回放。

2　系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)由于需要長期工作于深海中，因此當(dāng)甲板上的供電電源電壓較低時，系統(tǒng)的工作電流相對較大；又由于為水下系統(tǒng)供電的電纜較長，因而線纜上的損耗較大，導(dǎo)致系統(tǒng)功耗增加。所以本系統(tǒng)采用高效率的高電壓低電流模式，甲板監(jiān)控平臺為水下設(shè)備提供300 V直流高壓，300 V高壓經(jīng)過 VICOR模塊轉(zhuǎn)換為 3路 24 V，并通過水下 DC/DC模塊產(chǎn)生 12 V、5 V、3.3 V電壓，為不同的模塊供電。

水下控制倉由控制單元、電源模塊、串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊、光纖收發(fā)器、以太網(wǎng)交換機(jī)、2路搭配照明設(shè)備的高清攝像頭、拖網(wǎng)主機(jī)以及高度計組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示?？刂茊卧邪峁?自由度分量參數(shù)測量的GY85九軸傳感器，4路繼電器能夠控制高清攝像頭、照明設(shè)備、高度計的工作狀態(tài)，另外還為串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊提供工作電壓，控制單元通過與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互來控制外部設(shè)備的狀態(tài)，并上傳視頻數(shù)據(jù)、浮游生物粒徑譜數(shù)據(jù)及九軸傳感器數(shù)據(jù)至上位機(jī)，并通過人機(jī)交互界面顯示傳感器數(shù)據(jù)。

圖3　水下控制倉結(jié)構(gòu)組成

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由水下控制倉程序、甲板控制端上位機(jī)程序兩部分組成。本設(shè)計程序中，下位機(jī)程序在Keil下編譯、調(diào)試，上位機(jī)程序均在 Microsoft Visual Studio 2012下編譯調(diào)試。

3.1甲板控制端上位機(jī)程序設(shè)計

甲板控制端上位機(jī)程序設(shè)計可以分為2個步驟：

(1)系統(tǒng)初始化。打開上位機(jī)后，對各個窗口組件、攝像頭進(jìn)行初始化配置。

(2)發(fā)送控制命令并接收傳感器數(shù)據(jù)。上位機(jī)對水下控制倉發(fā)送4種命令幀，對應(yīng)執(zhí)行4種操作，命令幀與對應(yīng)操作關(guān)系如表1所示。

表1　命令幀與對應(yīng)操作示意圖

3.2水下控制倉程序設(shè)計

甲板控制端上位機(jī)程序設(shè)計可以分為3個步驟：

(1)系統(tǒng)初始化。對系統(tǒng)時鐘及外設(shè)進(jìn)行初始化配置。

(2)接收上位機(jī)指令并控制。水下控制倉接收到控制命令后，判斷是否為心跳信號，在1分鐘內(nèi)未接收到心跳信號，系統(tǒng)將切斷所有外接傳感器的電源；接收到操作指令，則完成對應(yīng)操作。

(3)上傳傳感器數(shù)據(jù)。水下控制倉采集好傳感器數(shù)據(jù)后，按照@#，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，55*/r/n的數(shù)據(jù)格式上傳傳感器數(shù)據(jù)（數(shù)字n代表第n路傳感器數(shù)值）。

水下控制倉下位機(jī)程序流程圖與甲板控制端上位機(jī)程序流程圖如圖4所示。

圖4　程序流程圖

3.3LOPC數(shù)據(jù)

LOPC的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流包含3種數(shù)據(jù)格式：計數(shù)數(shù)據(jù)、粒徑數(shù)據(jù)和CTD數(shù)據(jù)（或其他串行數(shù)據(jù)輸入）。數(shù)據(jù)幀的基本布局如下：

＜分隔符＞＜幀標(biāo)識＞＜數(shù)據(jù)包＞＜分隔符＞＜結(jié)束符＞

分隔符采用波浪線符號(～)，幀標(biāo)識是字母 L、M、C，其中L代表計數(shù)數(shù)據(jù)，M代表粒徑數(shù)星號(*)。計數(shù)數(shù)據(jù)與粒徑數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包是二進(jìn)制格式，CTD或串行輸入數(shù)據(jù)通常是ASCII碼格式。其中粒徑數(shù)據(jù)是對浮游生物輪廓采集得到的數(shù)據(jù)，PC通過對粒徑數(shù)據(jù)的分析處理得到浮游生物輪廓圖像，浮游生物輪廓圖像如圖5所示。

圖5　浮游生物輪廓

4　系統(tǒng)安裝與測試

將各個模塊電路在倉體內(nèi)安裝完畢后進(jìn)行系統(tǒng)測試。

甲板控制端上位機(jī)如圖6所示，左側(cè)圖像窗口為水下高清攝像頭的數(shù)據(jù)，并提供錄像功能，GigEthernet攝像頭采用了索尼公司的ICX274 CCD傳感器，感光尺寸高達(dá)1/1.8″，最高幀數(shù)達(dá)到20 f/s，為水下圖像采集提供性能上的保證。上位機(jī)右側(cè)面板顯示水下控制倉上傳的傳感器數(shù)據(jù)，并有按鈕控制水下攝像機(jī)、高度計、照明燈的工作狀態(tài)。

圖6　甲板控制端上位機(jī)

LOPC上位機(jī)如圖7所示，左側(cè)直方圖顯示不同粒徑的浮游生物的個數(shù)，右側(cè)為上位機(jī)描繪的生物輪廓，下方面板為水下LOPC主機(jī)的工作狀態(tài)以及相關(guān)參數(shù)的顯示。LOPC主機(jī)與甲板控制單元有電力線載波和RS-232總線兩種通信方式，本系統(tǒng)采用 RS-232總線方式將LOPC數(shù)據(jù)發(fā)送至水下控制倉，再通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送至LOPC上位機(jī)，并進(jìn)行顯示。

圖7　LOPC上位機(jī)

5　結(jié)論

本文設(shè)計了一款基于以太網(wǎng)架構(gòu)的具有粒徑技術(shù)功能的可視化浮游生物監(jiān)測系統(tǒng)，這種架構(gòu)大大提高了水下數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和速率，改善了實時性能。該系統(tǒng)不但能應(yīng)用于深海生物觀測，同時也被應(yīng)用于海洋資源的勘探、水資源污染檢測及災(zāi)害預(yù)測、海底養(yǎng)殖觀測等諸多領(lǐng)域，為海洋資源開發(fā)提供了一種高效的探測方式。參考文獻(xiàn)

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［5］The Imaging Source公司.The imaging source product catalog［EB/OL］.［2015-06］.http://www.theimagingsource.com/.

Visual biological trawl system with plankton spectrum function

Cai Wenyu，Wen Duanqiang，Zhou Zhanye，Xia Hongfei
(Electronic and Information College，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China)

For trawl applications in the marine environment monitoring,this paper designs a visual plankton trawl system,by using underwater lighting equipment with HD cameras and a laser optical plankton counter to collect image,video and plankton data.The system uses Gigabit Ethernet,fiber-optic network and TCP/IP protocol for sending real-time transmission of data to the deck video surveillance platform that can receive,display,storage video,sensor data,and control the devices working status.The system owns HD cameras and Gigabit Ethernet communications architecture so that it can be used to achieve high-quality video display,as well as laser optical plankton counter achieves real-time data acquisition,so as to achieve convenient and fast performance.

plankton；spectrum data；HD camera；biological trawl

P751

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.015

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計劃資助項目（2016C33091,2014C33095）；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃項目（2015R407014）

2015-12-22)

蔡文郁（1979-），男，博士，副教授，主要研究方向：海洋電子技術(shù)和海洋環(huán)境監(jiān)測。

溫端強(qiáng)（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向：電子系統(tǒng)集成。

周展業(yè)（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：電子系統(tǒng)集成。

中文引用格式：蔡文郁，溫端強(qiáng)，周展業(yè)，等.具有粒徑計數(shù)功能的可視化浮游生物拖網(wǎng)系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (4)：53-55，59.

英文引用格式：Cai Wenyu，Wen Duanqiang，Zhou Zhanye，et al.Visual biological trawl system with plankton spectrum function［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：53-55，59.