水產(chǎn)養(yǎng)殖移動式水下無線視頻系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)

連夢想 于淑卿 薛磊 馬國強(qiáng)

摘 要：現(xiàn)階段水產(chǎn)養(yǎng)殖面臨三方面的難題：首先，傳統(tǒng)養(yǎng)殖無法及時反映實際情況，且在人力物力消耗增加的情況下，收益逐年減少；其次，當(dāng)前各組織對自然水生生物資源保護(hù)力度加大，而水產(chǎn)養(yǎng)殖對水下環(huán)境造成了較大污染，因此受到世界各國的普遍關(guān)注；最后，高清視頻的視頻流量較大，監(jiān)控環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)無法滿足按需布線與傳輸速率高的要求。針對上述問題，文中設(shè)計、研發(fā)出一套水產(chǎn)養(yǎng)殖移動式水下無線視頻系統(tǒng)，通過移動式水下無線視頻設(shè)備對魚的行為特征和身體特征進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)智能化、科技化養(yǎng)殖。

關(guān)鍵詞：移動式；監(jiān)控；水產(chǎn)養(yǎng)殖；無線視頻

中圖分類號：TP39；S969 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

水產(chǎn)養(yǎng)殖是人工控制繁殖、培育和收獲水生動植物的生產(chǎn)活動，一般包括在人工飼養(yǎng)管理條件下將苗種養(yǎng)成水產(chǎn)品的全過程。養(yǎng)殖環(huán)境和科學(xué)投喂以及魚類的大小、分布對水產(chǎn)養(yǎng)殖十分重要?？茖W(xué)投喂主要包括兩點：投喂?fàn)I養(yǎng)全面的飼料，禁止投喂變質(zhì)的飼料；飼料的投喂須確保魚可在兩小時內(nèi)吃完，防止殘餌腐敗水質(zhì)。但傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式無法保證投食的質(zhì)量和數(shù)量。針對此情況，作品設(shè)計了一套移動式水下無線視頻系統(tǒng)，以解決靠經(jīng)驗投食、投藥無法監(jiān)測的問題。通過移動式水下無線視頻設(shè)備，人們可觀測到水下魚的分布、體重及大小等情況，在對魚類有效進(jìn)行智能化養(yǎng)殖的同時，節(jié)約資源，避免污染水質(zhì)。隨著科技的發(fā)展，移動設(shè)備為魚類養(yǎng)殖監(jiān)控提供了一個更為便利的方式，可在手機(jī)、筆記本電腦及平板電腦等移動設(shè)備上隨時監(jiān)測魚類的情況，進(jìn)而對魚類進(jìn)行科技化管理。

本項目采用主流的嵌入式無線視頻監(jiān)測方式，并結(jié)合實際情況，提出一種移動式水下視頻實時傳輸系統(tǒng)設(shè)計方案，針對系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)采集和傳輸、視頻圖像顯示以及水下移動平臺的控制等問題，運用OpenWrt系統(tǒng)以及視頻和運動控制應(yīng)用程序開發(fā)等技術(shù)，建立了一套成本低、無線、便于移動且性能穩(wěn)定的水下視頻傳輸系統(tǒng)。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖移動式水下無線視頻系統(tǒng)的必要性及研究意義

移動式水下無線視頻系統(tǒng)所具有的網(wǎng)絡(luò)易連通性可彌補(bǔ)傳統(tǒng)養(yǎng)殖的不確定性缺陷，實時監(jiān)控投喂飼料的情況，極大地保證了飼料質(zhì)量。這項研究進(jìn)一步體現(xiàn)出現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)的交接，帶動了水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展。

2 移動式水下無線視頻系統(tǒng)的實現(xiàn)

移動式水下無線視頻系統(tǒng)包括監(jiān)控端、無線網(wǎng)絡(luò)和用戶端三部分。

（1）監(jiān)控端負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)的采集和傳輸，由OpenWrt路由器、攝像頭和接口板組成；

（2）無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將本地監(jiān)控端數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程用戶端（借助局域網(wǎng)或因特網(wǎng)）；

（3）用戶端上位機(jī)軟件或網(wǎng)頁負(fù)責(zé)實時顯示監(jiān)控端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并可根據(jù)監(jiān)控人員的需要對遠(yuǎn)程監(jiān)控端進(jìn)行控制。上位機(jī)硬件平臺可選用筆記本電腦、手機(jī)、平板電腦等。

2.1 無線視頻的實現(xiàn)

根據(jù)當(dāng)前形勢，本文提出運用WiFi進(jìn)行視頻傳輸，并通過IP地址進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的無線監(jiān)控方案。首先分析802.11協(xié)議的結(jié)構(gòu)、無線幀的形成過程，再根據(jù)實際需求選擇相應(yīng)的硬件模塊構(gòu)建網(wǎng)站或PC客戶端，其中CHD-T5是一款2.4GHz， 150 Mbit/s中端WiFi多媒體模塊。模塊可同時支持WiFi轉(zhuǎn)視頻，WiFi轉(zhuǎn)串口，WiFi轉(zhuǎn)GPIO；WiFi轉(zhuǎn)I2C功能。一般免驅(qū)USB攝像頭都可以直接接入模塊，進(jìn)行無線視頻數(shù)據(jù)采集。CHD-T5支持AP，STA，AP與STA兼容（WiFi萬能中繼）三種模式，能滿足各種應(yīng)用環(huán)境。硬件封裝提供插針（DIP 30mm×48 mm）與貼片（SMT 28 mm×48 mm）兩種，具有體積小、性能強(qiáng)大、數(shù)據(jù)吞吐量大等特點?？蛻粼诮邮詹シ乓曨l時存在不連貫的現(xiàn)象，因此需對視頻播放不連貫現(xiàn)象進(jìn)行分析與優(yōu)化。首先應(yīng)分析視頻幀數(shù)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)、延時幀數(shù)、視頻幀率等參數(shù)，然后通過調(diào)節(jié)參數(shù)來控制幀率，實現(xiàn)視頻播放連貫的效果，最后檢驗WiFi無線監(jiān)控方案的實施效果，并對幀率控制效果進(jìn)行測試，使測試結(jié)果滿足方案設(shè)計的要求。無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

2.1.1 WiFi點

802.11協(xié)議是IEEE 802工作組定義的第一個被國際組織認(rèn)可的無線局域網(wǎng)通信協(xié)議，采用2.4 GHz和5 GHz ISM頻段。802.11協(xié)議的無線局域網(wǎng)具有易部署、構(gòu)建快速和靈活等特點，這是傳統(tǒng)有限局域網(wǎng)不具備的。本W(wǎng)iFi模塊支持的無線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)包括IEEE 802.11n，IEEE 802.11g，IEEE 802.11b。

現(xiàn)階段，WiFi已擺脫電纜的束縛，可通過無線媒介來傳播信息，在降低網(wǎng)絡(luò)配置成本的同時，使得組網(wǎng)方式更加靈活。從硬件設(shè)備的要求來看，通過WiFi組建局域網(wǎng)相比有線網(wǎng)絡(luò)更加簡潔，當(dāng)前市場上支持WiFi的設(shè)備很普遍，各種不同品牌的無線AP和客戶端之間都可以相互進(jìn)行操作。且全球使用統(tǒng)一的WiFi標(biāo)準(zhǔn)，因此在世界任何一個地方都可以使用這一服務(wù)。

2.1.2 系統(tǒng)功能

該模塊移植了OpenWrt系統(tǒng)，OpenWrt是一個高度模塊化、自動化的嵌入式Linux系統(tǒng)，擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴(kuò)展性，用戶可以方便、快速地定制一個具有特定功能的嵌入式系統(tǒng)來制作固件。根據(jù)系統(tǒng)方案，編譯了一個包含kmod-video-core，mjpg-streamer和ser2net組件的固件系統(tǒng)，分別提供視頻設(shè)備驅(qū)動、視頻服務(wù)器和串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口功能。

網(wǎng)站總體架構(gòu)設(shè)計方案如圖2所示。

2.2 移動式觀測顯示

作品結(jié)合無線視頻系統(tǒng)的實現(xiàn)以及水產(chǎn)養(yǎng)殖的相關(guān)數(shù)據(jù)所編寫的程序與可視化網(wǎng)頁，可方便人們在終端設(shè)備上實時監(jiān)控魚等水產(chǎn)的生長及其行為。

作品的顯示包括以下兩個方面：

（1）手機(jī)客戶端的顯示。手機(jī)與水下的WiFi模塊共同連接一個路由器節(jié)點，使水下情況在手機(jī)上顯示。

（2）電腦網(wǎng)站上的顯示。我們采用Dreamweaver CS6來制作前臺頁面，用PHP編程語言進(jìn)行后臺的編寫，進(jìn)而把路由器的相連熱點與網(wǎng)站相結(jié)合，實現(xiàn)信息在網(wǎng)站上的顯示。

2.3 水下檢測的基礎(chǔ)

由于作品主要在水下通過攝像頭對魚類進(jìn)行研究，因此，水下攝像頭需具有外殼密封、穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)和美觀等特點。我們采用的攝像頭外殼呈雨滴形，整體的流線使攝像頭在水下也具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。外殼主要分為上下兩部分，上部分作為蓋子方便攝像頭放入，下部分將雨滴的內(nèi)部進(jìn)行劃分，從而實現(xiàn)攝像頭的穩(wěn)定放置，同時下部分還具有一個封閉的凹槽，可手?jǐn)Q螺絲對外殼位置進(jìn)行調(diào)節(jié)實現(xiàn)密封。雨滴上部留有一個小孔，用于與外部天線連通。外殼模型俯視圖如圖3所示。

2.3.1 良好的密封性

利用軟件將預(yù)想外殼繪制出來，在設(shè)計過程中計算好每一個數(shù)據(jù)，確保模型沒有漏洞。通過3D打印，將攝像頭放置在外殼下部，用膠水將兩部分粘在一起實現(xiàn)封閉，通過手?jǐn)Q螺絲對外殼進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)計一個凹槽，并在凹槽外部添加一個皮墊，不僅能固定外殼，還可防止進(jìn)水，進(jìn)一步提高了外殼的封閉性。

2.3.2 優(yōu)越的穩(wěn)定性

外殼內(nèi)部放置有攝像頭，外殼外部放置在具有游動的魚的水中，以保證攝像頭錄制的清晰度與穩(wěn)定性。作品采用具有強(qiáng)穩(wěn)定性的流線型雨滴結(jié)構(gòu)作為外殼的整體結(jié)構(gòu)。在水中放置一個有等間距孔的桿子，通過手?jǐn)Q螺絲經(jīng)外殼上的皮墊將外殼固定其上，從而使外殼完全固定在水中，保證攝像頭能夠清晰并穩(wěn)定地攝像。

2.3.3 突出的可調(diào)節(jié)性

作品的外殼與攝像頭主要放置在水下對魚類的情況進(jìn)行觀測，而不同種類的魚的生活水層各不相同，考慮到此問題，作品采用將外殼與手?jǐn)Q螺絲相結(jié)合的方式，利用放置在水中的一個具有等間距孔的桿子，將手?jǐn)Q螺絲與外殼固定起來，可通過手?jǐn)Q螺絲穿過水中不同高度的孔來調(diào)節(jié)外殼中攝像頭拍攝的水層范圍。外殼膜性側(cè)視圖如圖4所示。

2.3.4 美觀性

不同于市場上造型單一的攝像頭，本文設(shè)計的作品采用流線型雨滴樣式，更具有代表性、吸引力，且更美觀。

3 系統(tǒng)運用結(jié)果

該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于大型水產(chǎn)養(yǎng)殖中。水下攝像頭良好的外殼密封性、穩(wěn)定性、靈活性等優(yōu)勢使得其可清晰拍攝位于不同水層的魚類，無線視頻實現(xiàn)了水下監(jiān)控魚類行為的目標(biāo)，可對魚的行為、進(jìn)食等進(jìn)行全面監(jiān)控，使傳統(tǒng)的水下養(yǎng)殖實現(xiàn)了一定程度的科技化。利用網(wǎng)頁編輯器以及編寫語言實現(xiàn)了可視化網(wǎng)頁的展現(xiàn)。

4 結(jié) 語

在未來經(jīng)濟(jì)、科技的發(fā)展中，水產(chǎn)養(yǎng)殖的速度會越來越快，因此水下無線視頻與水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)系也會更加密切。WiFi是本文提出的移動式水下無線視頻系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，符合網(wǎng)絡(luò)信息時代的發(fā)展潮流。如果數(shù)據(jù)量較大，還可在用戶端或監(jiān)控端加入處理設(shè)備，去掉冗余數(shù)據(jù)，使顯示的數(shù)據(jù)更具可讀性和準(zhǔn)確性。而無線視頻的設(shè)計也將成為另一個熱點。

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