基于GY-30的集魚燈多點同步無線測光系統(tǒng)設(shè)計

王偉杰， 葉 超， 盧克祥， 孔祥洪， 錢衛(wèi)國,

(1 國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；3 上海海洋大學(xué)物理實驗中心，上海 201306)

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基于GY-30的集魚燈多點同步無線測光系統(tǒng)設(shè)計

王偉杰1， 葉 超2， 盧克祥2， 孔祥洪3， 錢衛(wèi)國1,2

(1 國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；3 上海海洋大學(xué)物理實驗中心，上海 201306)

集魚燈實地光照數(shù)據(jù)量大，現(xiàn)有測試設(shè)備因船體搖擺和潮位變動等因素造成較大的數(shù)據(jù)誤差。為降低測試過程中數(shù)據(jù)誤差較大的問題，設(shè)計了一種新型測試系統(tǒng)，使用CC2530單片機為照度測試的下位機，采用GY-30模塊為光強檢測元件，以Zigbee作為主控器與終端設(shè)備之間的無線通訊方式。系統(tǒng)實施過程為：當(dāng)光子投射到GY-30模塊時，會產(chǎn)生對應(yīng)大小的電流，電流經(jīng)電路放大后被終端CC2530采集，該模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過USB與PC上位機連接并傳輸測試數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，以單次測試樣本7×6數(shù)據(jù)量為例，按照傳統(tǒng)測試方法耗時約為120 min，而使用新系統(tǒng)可縮短至20 min，在數(shù)據(jù)準確度方面也有大幅提高。利用新系統(tǒng)測試大面積的光場分布，在一定程度上能減少誤差，同時可減少燈光測試的重復(fù)性操作。

集魚燈；測試系統(tǒng)；多點測試；Zigbee；GY-30

近30年來，我國光誘漁業(yè)迅速發(fā)展，目前已成為重要的支柱產(chǎn)業(yè)[1-2]。集魚燈作為光誘漁業(yè)中重要的捕撈輔助工具，被用于遠洋魷釣漁業(yè)、秋刀魚漁業(yè)以及燈光罩網(wǎng)漁業(yè)等[3-7]。我國集魚燈研制和推廣工作目前仍處于起步階段，相關(guān)研究工作主要包括：新型燈具的光學(xué)特性研究，側(cè)重?zé)艟吖鈴姺植记€和光譜分布研究[8-10]；燈具使用效果驗證研究，側(cè)重不同光色、光強對捕撈效果和光場分布是否存在影響及影響程度[6,11-16]。后者需要將燈具安裝至作業(yè)船并測試船周圍海面光亮區(qū)的光照強度。為了簡化，測試工作常在碼頭進行，即將光誘漁船停靠在碼頭，利用碼頭陸地的光亮區(qū)域代替海面照度測試。在測試過程中，碼頭陸地上光亮區(qū)域的光照強度會因潮水漲落而發(fā)生變化。由于受到現(xiàn)有設(shè)備的限制，無法實現(xiàn)多點測試，所以數(shù)據(jù)誤差較大，同時也非常耗時。本研究設(shè)計的集魚燈多點同步無線測光系統(tǒng)可以解決上述問題。

1 無線同步傳輸測光系統(tǒng)方案設(shè)計

以碼頭作為模擬海面進行測試。在碼頭平面以網(wǎng)格形式布置若干測試節(jié)點，各測試節(jié)點有序地布置成X×Y的陣列形式。每個測試節(jié)點都有一個GY-30光照度傳感器模塊(其主控芯片是BH1750FVI)，每一行的光照度傳感器的數(shù)據(jù)由該行組網(wǎng)的CC2530模塊完成采集及發(fā)送。即每一行的測試節(jié)點由一個CC2530模塊控制，各個測試節(jié)點同時測試每一行的數(shù)據(jù)，由該行的Zigbee模塊處理并尋址標(biāo)記順序。

測試時打開集魚燈，當(dāng)光子沖擊到GY-30硅光電的光照度傳感器(圖 1)陣列的一個節(jié)點上時，信號采集模塊中光照度傳感器接收處便會使硅光電池產(chǎn)生電流，其與光照度成正比，電流通過電路放大后傳輸給16位AD模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；將BH1750采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)接口I2C總線通訊接口讀取傳到CC2530單片機，單片機處理后將該信號轉(zhuǎn)換為可讀的光強度信號，并以對應(yīng)此節(jié)點的地址信息為依據(jù)，對該光強度信號進行編碼。終端CC2530上的所有測試節(jié)點的數(shù)據(jù)采集、處理和編址均在短時間內(nèi)完成。

圖1 無線同步傳輸測光系統(tǒng)方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of the wireless measurement system for monitoring luminance

各行的終端將該行完成編址后的光強度數(shù)據(jù)經(jīng)Zigbee模塊發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器CC2530將數(shù)據(jù)發(fā)送回船上的接收端，接收端通過數(shù)據(jù)線USB接口與PC機連接，在上位PC機界面上實時以坐標(biāo)的形式呈現(xiàn)。所有測試的光照度數(shù)據(jù)以時間和地址等序列存儲在數(shù)據(jù)庫中，方便隨時調(diào)用和進行理論數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)方案如圖 1所示。

為了解周圍環(huán)境因素對測試的影響，保證數(shù)據(jù)的可靠性，在測試點網(wǎng)格群中添加溫濕度傳感器、風(fēng)向傳感器進行環(huán)境因素變量的監(jiān)測。

2 硬件設(shè)計

2.1 CC2530行節(jié)點控制器

無線自組網(wǎng)集魚燈同步測光系統(tǒng)的控制器采用CC2530，是TI公司推出的增強型8051作為CPU的片上系統(tǒng)，能夠以較低的成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。由于具有高集成度和強大的功能，因此CC2530只需很少的外圍設(shè)備，就可搭建無線自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2.2 Zigbee無線通信模塊

單片機采用模擬串口的方式與ZigBee協(xié)調(diào)器通信。Zigbee終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器的最大通訊距離為200 m，在200 m的地方加入一個節(jié)點設(shè)備作為協(xié)調(diào)器，因此終端就可以通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)，也就是說通訊距離可達400 m。Zigbee模塊工作電路圖如圖2。

圖2 Zigbee模塊電路Fig.2 Circuit diagram of Zigbee module

2.3 GY-30光強度傳感器

光傳感器GY-30模塊，其主控芯片為BH1750FVI，是集成電路，具有較高的靈敏性，能檢測到大范圍的照度(1 Lx～65 535 Lx)變化，電路板圖如圖 3所示。傳感器有5個引腳，引腳分別是：總線時鐘引腳(SCL)，I2C總線數(shù)據(jù)引腳(SDA)，參考電壓(DVl)，供電電源端口(VCC)，公共接地端(GND)，定義地址端口(ADDR)。

圖3 GY-30光強度傳感器結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagram of GY-30 luminance sensor

由圖3得出，高精度硅光電二極管PD的光強度傳感器探測到外部光后，通過集成運算放大器將硅光電二極管PD的電流放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號，再由16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后被BH1750FVI芯片的邏輯數(shù)據(jù)處理與存儲。OSC為芯片內(nèi)部的振蕩器，提供內(nèi)部邏輯時鐘。我們通過相應(yīng)的指令操作即可讀取內(nèi)部存儲的光照數(shù)據(jù)，按照時序使用標(biāo)準的I2C總線通信接口進行數(shù)據(jù)傳輸。但當(dāng)多個BH1750FVI光強度傳感器同時測試時，需要對ADDR引腳進行設(shè)置，接電源或接地決定了不同的設(shè)備地址。

2.4 協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)線與PC機接口電路

采用Prolific公司的PL2303芯片制作USB轉(zhuǎn)串口電路(圖4)。PL2303內(nèi)置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的UART，只需外接幾只電容就可實現(xiàn)USB信號與RS232信號的轉(zhuǎn)換，該器件作為USB/RS232雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機接收USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)，另一方面從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機[17-18]。

圖4 CC2530-PL2303與USB轉(zhuǎn)串口電路圖Fig.4 Circuit diagram of transform interface between CC2530-PL2303 and USB

3 軟件設(shè)計

3.1 CC2530數(shù)據(jù)讀取和轉(zhuǎn)化

傳感器遵循I2C總線接口時序。首先，傳感器上電后需要初始化，具體過程為：(1)先將SDA和SCL分別置為高電平；(2)延時約5微秒(μs)后，將SDA置為低電平；(3)延時約5 μs后，將SCL也置為低電平。隨后，CC2530向傳感器發(fā)送通電指令。最后發(fā)送一組停止時序，具體過程為：(1)將SDA置為低電平，SCL置為高電平；(2)延時約5 μs后，將SDA置為高電平，延時約5μs。

至此，傳感器初始化結(jié)束，等待檢測指令。當(dāng)需要檢測時，CC2530再向傳感器發(fā)送一組啟動時序，接著發(fā)送設(shè)備地址，當(dāng)檢測到傳感器的應(yīng)答信號后，便發(fā)送測試指令的功能代碼。根據(jù)測試分辨率的不同，需要延時一段時間，待測試結(jié)束后，CC2530即可讀取測試數(shù)據(jù)。測試結(jié)果是16位的，先傳回的是高8位，然后是低8位，將測試結(jié)果轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)得出最終的光照強度值。

3.2 BH1750數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)化

BH1750是GY-30模塊的主控芯片，其與主控器之間的通訊使用標(biāo)準的I2C通訊協(xié)議，主控器通過I2C接口向BH1750發(fā)送各種控制命令以及讀取測試數(shù)據(jù)。

(1)主控器向BH1750發(fā)送控制命令步驟：主控器產(chǎn)生通訊啟動信號；主控器發(fā)送8 bit的地址數(shù)據(jù)；主控器讀取BH1750的應(yīng)答信號；主控器發(fā)送8bit的命令數(shù)據(jù)；主控器讀取應(yīng)答；主控器產(chǎn)生停止信號。

(2)主控器從BH1750讀取數(shù)據(jù)步驟：主控器產(chǎn)生通訊啟動信號；主控器發(fā)送8bit的地址數(shù)據(jù)；主控器讀取應(yīng)答；主控器讀取高8位數(shù)據(jù)；主控器產(chǎn)生應(yīng)答信號；主控器讀取低8位數(shù)據(jù)；主控器產(chǎn)生應(yīng)答信號；主控器產(chǎn)生停止信號。

CC2530發(fā)送數(shù)據(jù)時，向TXFIFO中寫入數(shù)據(jù)，無線電模塊自動添加PHY層同步頭和FCS，通過選通命令STXON或STXONCCA發(fā)送數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)接收完成時，產(chǎn)生RXPKTDONE中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取RXFIFO即可。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖Fig.5 Working flowchart of the system

測試過程中，每一列的信號采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至該列的終端(CC2530核心數(shù)據(jù)處理模塊)，由該列的終端接收數(shù)據(jù)并進行編號處理之后以無線RF方式發(fā)送到一個協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過USB接口傳給上位機(圖5)。上位機界面設(shè)計為可根據(jù)需求輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，包括可實時顯示當(dāng)前各個測試節(jié)點的光照度和溫度、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。

4 對比試驗驗證

4.1 驗證方案

2013年6月在浙江舟山的漁輪碼頭，使用集魚燈無線同步傳輸測光系統(tǒng)對寧泰61號魷釣漁船LED集魚燈進行了光照度分布測試。漁船一側(cè)布置了LED集魚燈(300 W)50套(圖6)。分布點為1～6行，每行測試點A～Q列。使用傳統(tǒng)單探頭照度計和同步測試系統(tǒng)兩種方式進行測試。單探頭測試方法是從第1行A列依次測試到Q列，然后再換一行繼續(xù)進行，直到第6行Q列，每次均以一行為單位進行測試。

圖6 燈光照度分布測試方案Fig.6 Scheme diagram of luminance test

4.2 驗證結(jié)果

為探究同步測試方法的準確性，將數(shù)據(jù)做成等照度曲線圖。參考錢衛(wèi)國等[11]提出的光照度計算方法來制作等照度曲線分布圖，同時將兩種測試方法結(jié)果與模擬結(jié)果作對比。集魚燈高度相對于測試面高度從2.5 m上升至3.5 m，耗時1 h，根據(jù)照度余弦定理可知照度變化值呈二次方遞減。因此，利用傳統(tǒng)方法測試的結(jié)果從A到G巡測，照度因燈具距離增大已經(jīng)發(fā)生衰減，因此其等照度線越來越往船的方向靠近；而利用設(shè)計的同步測試系統(tǒng)進行測試，其結(jié)果與模擬結(jié)果趨勢一致，但照度值均少于模擬值(圖7)。

注：SZMN=數(shù)值模擬；CTFF=傳統(tǒng)方法；TBSYS=同步測試系統(tǒng)

圖7 測試數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的對比

Fig.7 Comparison of simulation result and the test data

5 討論與結(jié)論

(1)多點同步無線測光系統(tǒng)以批量化來測試燈具光照區(qū)域的光照度，單次測試時間相對減少，但人工布置眾多節(jié)點仍然耗時，因此，當(dāng)新系統(tǒng)拓展至自然水域測試時，可利用無人遙控船等技術(shù)實現(xiàn)自動化布置測試點，同時測試光照和位置信息。

(2)多點同步無線測光系統(tǒng)以光照度為測試指標(biāo)，考慮到不同光色對捕撈效果的影響[12，16]，因此系統(tǒng)可根據(jù)需求擴展顏色傳感器等，系統(tǒng)所用的主控器CC2530芯片引腳可用來擴展不同類型的傳感器。

(3)多點同步無線測光系統(tǒng)主要以海面照度測試為主，而部分學(xué)者側(cè)重于水下集魚燈效果驗證研究[5,14,19-20]，本系統(tǒng)無法滿足，后期需使用電纜等將傳感設(shè)備延伸至水下。

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Design of the wireless multi-point synchronous luminance measurement system of fish-attracting lamps based on GY-30 module

WANG Weijie1,YE Chao2,LU Kexiang2,KONG Xianghong3,QIAN Weiguo1,2

(1NationalEngineeringResearchCenterforOceanicFisheries,Shanghai201306,China;2CollegeofMarineScience,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China;3ExperimentalCenterofPhysics,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

The data quantity involved in luminance field test using fish-attracting lamps is usually very large and with existing devices,luminance data may vary much due to ship swaying,wave surge and tide.In order to reduce data errors in the measurement,a wireless luminance measurement system was designed.The system uses CC2530 microcontroller as the lower control system,GY-30 module to detect the light intensity,and Zigbee module as the communication apparatus between the master control device and terminal control units.When the GY-30 module is projected with light,it will produce electric current of corresponding magnitude to that of the light.The electric current data will be collected by terminal CC2530 modules and sent to the network coordinator,which is linked to the master computer by USB and thus could further transmit the data.The results showed that,with the single test sample of 7×6 in size,the measuring time using traditional method was about 120 min,while with the new system,the time could be shortened to 20 min,and the accuracy of data was also improved significantly.Therefore,using the new system to measure the light field distribution of large area could reduce,to some extent,the errors and repetitive operations during the luminance measurement.

fish-attract lamp; measurement system; multipoint-measuring; Zigbee；GY-30

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.012

2016-06-30

2016-09-13

上海市科委項目(14DZ1205000)；國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心開放課題(A-0209-14-0506-3)

王偉杰(1989—)，男，碩士，研究方向：遠洋集魚燈推廣和應(yīng)用。E-mail：weijiewang@shou.edu.cn

錢衛(wèi)國(1977—)，男，教授，研究方向：遠洋漁業(yè)與魚類行為。E-mail：wgqian@shou.edu.cn

TP29

A

1007-9580(2016)05-062-05