南極磷蝦生態(tài)模擬暫養(yǎng)系統(tǒng)的設計與應用

楊 琛，周 培，袁軍亭，朱國平，韓銘磊

( 1 上海海洋大學工程學院，上海 201306 ；2 上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306)

南極磷蝦是生活在南冰洋水域的一類磷蝦，體長約6 cm，體質(zhì)量約2 g，集群生活，是地球上數(shù)量最大、繁衍最成功的單種生物資源之一[1]。南極磷蝦營養(yǎng)豐富，生活在南極食物鏈的底端。通過觀測其生活習性，可以提前預知南極生態(tài)圈以及生態(tài)環(huán)境的變化。因此對南極磷蝦的科學研究越來越受到關(guān)注和重視。南極科考點離生活區(qū)較遠，經(jīng)常需要暫養(yǎng)以供極地研究。目前，針對水生生物的暫養(yǎng)技術(shù)還不夠成熟。大型漁船的暫養(yǎng)多依靠船體自身結(jié)構(gòu)如活水艙、蓄水艙，一般的暫養(yǎng)系統(tǒng)通常是簡單搭建水泥槽，采用吊籠等傳統(tǒng)儲存工具開展暫養(yǎng)，需人工清池、投食、放氣、增氧、防水等繁雜操作[2]。其他應用場合如超市等多采用水槽、網(wǎng)箱等暫養(yǎng)方式，采用簡單設備進行人工養(yǎng)殖[3- 6]。南極磷蝦依舊采用簡陋水箱暫養(yǎng)，勉強使部分磷蝦存活[7- 8]，難以提供適合的科研暫養(yǎng)環(huán)境。

為解決南極磷蝦科研活動中的暫養(yǎng)問題，設計并制作了南極磷蝦生態(tài)模擬暫養(yǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)為多功能、可組裝透明暫養(yǎng)箱，可為磷蝦暫養(yǎng)提供多樣化觀察空間；基于單片機、MESH網(wǎng)絡、多節(jié)點傳感器和執(zhí)行器實現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測及生態(tài)環(huán)境多參數(shù)模擬控制系統(tǒng)，為南極磷蝦的生態(tài)學研究提供智能化、便捷化的研究工具，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)整體方案

1.1 方案分析

對南極磷蝦的研究常集中在集群行為研究和水生環(huán)境適應度上，例如耐鹽度、個體及群體行為等方面。根據(jù)南極磷蝦科學研究需要，其生態(tài)模擬暫養(yǎng)系統(tǒng)主要滿足以下要求：1)滿足南極磷蝦個體及集群的觀察和研究的需求；2)根據(jù)科研需求，自動調(diào)節(jié)水質(zhì)參數(shù)，模擬不同生態(tài)環(huán)境，如通過調(diào)節(jié)相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)，增加水體鹽度等；3)數(shù)據(jù)實時存儲及展示。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)需求分析，該生態(tài)模擬暫養(yǎng)系統(tǒng)主要由機械結(jié)構(gòu)硬件層和生態(tài)模擬控制層兩部分組成(圖1)。

機械結(jié)構(gòu)硬件層主要指由亞克力材料組裝，可拆卸、透明的暫養(yǎng)箱體，方便對磷蝦進行多維度觀察研究。暫養(yǎng)箱體是關(guān)鍵的機械結(jié)構(gòu)，除了有常規(guī)的供排水系統(tǒng)外，還有溫度控制設施、供氧設備、酸堿試液投放控制器等硬件機構(gòu)，結(jié)合需求實現(xiàn)多環(huán)境參數(shù)定量改變的功能。

生態(tài)模擬控制層主要用于水體環(huán)境監(jiān)測，并控制其參數(shù)變化，由多傳感器檢測模塊、環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)控制模塊、無線通信模塊及終端顯示模塊組成[9]。通過搭建智能化軟硬件平臺，從而實現(xiàn)對水體溫度、溶氧、pH、鹽度等參數(shù)的自動監(jiān)測和自動調(diào)節(jié)控制[10- 11]。

圖1 暫養(yǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structural block diagram of temporary cultivation system

2 暫養(yǎng)箱結(jié)構(gòu)設計

暫養(yǎng)箱箱體側(cè)壁共3層透明亞克力板，分2個夾層，外層真空保溫，內(nèi)層冷流降溫。冷流由箱體壁一側(cè)進入，環(huán)繞箱體循環(huán)一周，從另一側(cè)上部流出，可有效保證試驗箱的保溫控溫功能。箱體底部設置有排水口，可有效減少試驗人員的負擔。主要的機械結(jié)構(gòu)功能分為兩部分，個體暫養(yǎng)(圖2A)和群體暫養(yǎng)(圖2B)，內(nèi)部主要機械器件包括：1)外箱體，主要承載所有內(nèi)部零件； 2)喂食管，輸氣管道，內(nèi)部設置增氧泵已保證水體溶氧量滿足試驗要求，另外增設喂食管，方便磷蝦食物投放；3)內(nèi)芯，內(nèi)芯為圓柱形，用于群體暫養(yǎng)時，將相機等其他設備隔離于外側(cè)，保證箱體內(nèi)部裝置不對磷蝦運動產(chǎn)生影響，同時保證錄像工作正常進行；4)單體分割裝置，將群體分隔器取出，放入單體分割器，上下3層的單體分隔裝置可實現(xiàn)30多只蝦體同時放入，每個單間周圍的壁板上均開有小孔，保證所有空間的水體互通，確保個體試驗的環(huán)境變量一致。

圖2 部分機械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Part of the mechanical structure

3 生態(tài)模擬控制系統(tǒng)

生態(tài)模擬控制系統(tǒng)主要包括多參數(shù)生態(tài)環(huán)境檢測節(jié)點、生態(tài)環(huán)境模擬控制繼電器節(jié)點以及控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)整體硬件連接如圖3所示。

圖3 硬件模塊總體結(jié)構(gòu)設計圖Fig.3 Overall structure design of hardware module

3.1 終端節(jié)點硬件設計

系統(tǒng)的終端節(jié)點包括多參數(shù)生態(tài)環(huán)境檢測節(jié)點和生態(tài)環(huán)境模擬控制繼電器節(jié)點。前者實現(xiàn)暫養(yǎng)箱環(huán)境的檢測，溫度傳感器采用高溫型DS18B20防水型數(shù)字溫度傳感器，鹽度傳感器采用DT- 300鹽度傳感器，pH傳感器采用MEACON的電極pH傳感器，溶氧量傳感器采用HQ30d哈希便攜式溶氧儀；繼電控制器節(jié)點包括氧氣泵、冷凝器、過濾器、加熱棒及特殊試劑輸送管。經(jīng)各參數(shù)節(jié)點采集相關(guān)數(shù)據(jù)后，經(jīng)內(nèi)部變送器將模擬信號傳輸至AD采樣模塊，單片機完成數(shù)據(jù)采集及控制。后者主要完成對不同環(huán)境參數(shù)的控制和模擬。該節(jié)點通過繼電器對氧氣泵、加熱棒、過濾器、試劑添加管等實現(xiàn)控制，當傳感器檢測參數(shù)值異常時，輸出控制信號，通過中間繼電器聯(lián)動執(zhí)行器進行控制。

3.2 控制協(xié)調(diào)器硬件設計

控制協(xié)調(diào)器主要分為MESH模塊[12]、液晶屏、按鍵模塊和電源模塊。其中模塊微處理器為Atmega16A單片機，是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集計算核心。ATmega16是一款低功耗的8位CMOS微控制器，內(nèi)部有32個通用工作寄存器，為許多嵌入式控制工作提供可行且低成本的支持?？刂茀f(xié)調(diào)器主要負責傳感器控制、數(shù)據(jù)存儲傳輸?shù)热蝿誟13]。其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware architecture of control coordinator

3.3 無線網(wǎng)絡設計

考慮到南極科考點及船艙的特殊環(huán)境，該系統(tǒng)采用無線Mesh網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。這是一種動態(tài)的可以不斷擴展的網(wǎng)絡，是用無線鏈路把終端設備與路由器連接起來，解決擴充與傳輸可靠性的問題[14- 15]。其關(guān)鍵技術(shù)為無線Mesh路由器的無線傳輸技術(shù)，主要指網(wǎng)格路由器和用戶終端之間，網(wǎng)格路由器相互之間的無線傳輸以及多信道接入的MAC訪問技術(shù)[16- 17]。針對南極暫養(yǎng)箱的網(wǎng)絡需求，無論從技術(shù)上還是可行性上，無線Mesh網(wǎng)絡比目前使用的其他無線技術(shù)要好，覆蓋面積以及相關(guān)指標都可達到要求，且具備一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。

4 生態(tài)模擬控制系統(tǒng)軟件設計

4.1 環(huán)境監(jiān)測

監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)采集過程如下：1)進入初始化操作，包括協(xié)議棧操作；2)加入Mesh網(wǎng)絡，入網(wǎng)成功后為該節(jié)點分配一個16位的網(wǎng)絡地址，同步時鐘后進入休眠模式；3)當收到采集命令時節(jié)點被喚醒，進行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)打包，發(fā)送到數(shù)據(jù)中心協(xié)調(diào)器節(jié)點，若無采集命令，則繼續(xù)保持休眠模式[18- 19]。監(jiān)測節(jié)點工作流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)測節(jié)點工作流程圖Fig.5 Workflow diagram of monitoring node

4.2 執(zhí)行機構(gòu)控制

執(zhí)行機構(gòu)的控制分為近程和遠程控制，采用無線Mesh網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的收發(fā)與傳輸。利用C語言開發(fā)軟件進行控制設計，用戶通過登錄手機客戶端，點擊運行按鈕后系統(tǒng)自動開始工作，監(jiān)測節(jié)點被喚醒，進行數(shù)據(jù)采集，選擇自動控制模式后，根據(jù)監(jiān)測終端提供的參數(shù)數(shù)據(jù)進行判斷，若數(shù)據(jù)存在較大誤差，中間繼電器自行進行開合，從而控制執(zhí)行器的關(guān)閉，維持暫養(yǎng)系統(tǒng)平衡。整個過程中各節(jié)點采集數(shù)據(jù)會發(fā)送至中心協(xié)調(diào)器，將參數(shù)數(shù)據(jù)及執(zhí)行過程顯示于終端界面。

4.3 手機應用軟件

為了方便科研人員隨時隨地監(jiān)控暫養(yǎng)箱水體環(huán)境參數(shù)，遠程獲取相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制暫養(yǎng)箱設備，系統(tǒng)開發(fā)了基于Android的手機應用軟件[20]。手機客戶端軟件為登錄驗證[21- 22]、系統(tǒng)參數(shù)設置、信息檢索、暫養(yǎng)箱水體環(huán)境參數(shù)監(jiān)控、遠程控制等功能。

5 試驗內(nèi)容

5.1 南極磷蝦暫養(yǎng)存活率研究

南極磷蝦暫養(yǎng)箱于2018年11月—2019年3月跟隨考察隊伍完成全球首次南極磷蝦資源單季環(huán)極并行調(diào)查，協(xié)助完成了一系列考察項目。南極磷蝦暫養(yǎng)系統(tǒng)的研發(fā)是為了以自動控制方式模擬磷蝦最適生態(tài)環(huán)境，以提高南極磷蝦樣品的存活率。在本次科考中，選取同一批捕撈磷蝦，等量分別放置于常用的養(yǎng)殖水槽與該暫養(yǎng)設備中。普通水槽中磷蝦的養(yǎng)殖仍采用人工進行參數(shù)調(diào)控、喂食、水槽暫養(yǎng)[23- 24]。而暫養(yǎng)系統(tǒng)由科研人員根據(jù)系統(tǒng)功能進行自動化養(yǎng)殖，經(jīng)一段時間后統(tǒng)計并比較樣本的存活率及樣本生理狀況。

5.2 南極磷蝦耐受性研究

科考隊員在“雪龍”號上首次使用磷蝦暫養(yǎng)系統(tǒng)來獲得磷蝦鹽度耐受數(shù)據(jù)[25- 26]，采用單體分割裝置(圖6A)在多個單體中預設不同鹽度值，分別取樣100只，實時通過監(jiān)測系統(tǒng)更為準確地了解磷蝦不同鹽度下的個體狀況，以研究南極磷蝦鹽度耐受性。24 h后所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鹽度急變式試驗組磷蝦狀態(tài)Tab.1 Krill state in the experimental group with abrupt change in salinity

5.3 南極磷蝦耐受酸堿度研究

同樣采用單體分割裝置，對南極磷蝦進行酸堿度耐受研究，研究6.1～7.9范圍內(nèi)磷蝦的個體狀況，24 h研究所得數(shù)據(jù)如表2。

5.4 南極磷蝦集群行為觀察

相較于以往觀察槽體的局限性[28- 29]，采用群體分割裝置(圖6B)，內(nèi)部安裝360°攝像機，記錄磷蝦24 h的運動軌跡，采用更為科學的視頻處理方式，精準獲得磷蝦運動軌跡數(shù)據(jù)。

表2 酸堿度急變式磷蝦試驗組磷蝦狀態(tài)Tab.2 Krill state in the experimental group with abrupt change in pH

圖6 試驗現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.6 Pictures of the experiment site

6 結(jié)論

預設南極磷蝦最適生活水體環(huán)境參數(shù)值后，暫養(yǎng)系統(tǒng)養(yǎng)殖的磷蝦存活率相比以往養(yǎng)殖所獲數(shù)據(jù)，提高了20%，暫養(yǎng)系統(tǒng)基本達到了預期目標。南極磷蝦的適宜耐受鹽度為43左右，極限耐受鹽度值為55，適宜耐受酸堿度為7.3，極限耐受酸堿度為6.7。與人工條件下水箱試驗數(shù)據(jù)對比，數(shù)據(jù)無較大差別。試驗避免了人工操作帶來的誤差，數(shù)據(jù)準確性與可靠性進一步提高。經(jīng)攝像機采集數(shù)據(jù)分析，認為南極磷蝦依靠腹足和尾部的動作推進前進，以集群方式生活，有一定的趨光性，且磷蝦集群會因光照強度的改變產(chǎn)生應激反應。該研究的自動處理系統(tǒng)為后續(xù)研究留下了大量的圖像數(shù)據(jù)資料，也為今后的研究提供了科學依據(jù)。