典型海島生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)信息感知及傳輸技術(shù)

李彩 , 張振昭 曹文熙 蔡梓楓 張現(xiàn)清

1. 熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301;

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 511458;

3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;

4. 中國(guó)科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院, 廣東 廣州 510301

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things, IoT)正在跨越我們生活的許多領(lǐng)域并不斷地改變著我們的世界(Kim et al, 2019)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海洋生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)海洋資源共享、海洋活動(dòng)協(xié)同, 為海洋智慧管控、準(zhǔn)確預(yù)警及海洋資源科學(xué)利用和保護(hù)提供結(jié)構(gòu)完整的智慧數(shù)據(jù)庫(kù)(陳作聰, 2015; 郭忠文 等, 2018; 姜曉軼 等, 2019)。在海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)、修復(fù)以及海洋牧場(chǎng)及藍(lán)色經(jīng)濟(jì)的快速推進(jìn)和健康發(fā)展等方面越來(lái)越受到重視(李新 等, 2016; 周洋 等, 2017)。

海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)(Island ecological internet of things, IEIOT) 是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于海島生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè), 以典型海島周邊水體生態(tài)環(huán)境信息的多節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間序列智慧感知、信息的物聯(lián)網(wǎng)傳輸、大數(shù)據(jù)清洗、存儲(chǔ)、智慧分類、綜合應(yīng)用分析為核心, 以海島生態(tài)環(huán)境健康評(píng)估、政府決策與預(yù)警服務(wù)為出口的綜合性技術(shù)與窗口(常立俠 等, 2019), 是掌握海島生態(tài)系統(tǒng)在長(zhǎng)期自然和人為干擾下的變化規(guī)律、機(jī)制和生態(tài)安全狀況, 為政策制定提供科學(xué)依據(jù)、為海島生態(tài)學(xué)等科學(xué)研究提供重要支撐的基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)。

隨著藍(lán)色經(jīng)濟(jì)飛速推進(jìn), 海島及其附近水域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)遭到破壞, 珊瑚等典型生物受損, 亟待修復(fù)和保護(hù)。本文基于國(guó)家對(duì)典型海島生態(tài)修復(fù)同步監(jiān)測(cè)需求提出, 結(jié)合海島自然及人文環(huán)境特點(diǎn), 重點(diǎn)就海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)智慧感知及信息傳輸?shù)群诵募夹g(shù)展開(kāi)研究。當(dāng)前, 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)展海島生態(tài)系統(tǒng)的研究較少。希望本文相關(guān)技術(shù)解決方案能為海島及海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 典型海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)性需求及總體技術(shù)框架

近年來(lái)受人類活動(dòng)及自然環(huán)境影響, 珠海廟灣島周邊珊瑚礁嚴(yán)重受損, 生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是基于上述海島的兩個(gè)典型節(jié)點(diǎn)(下風(fēng)灣和權(quán)松尾灣)珊瑚修復(fù)區(qū)監(jiān)控需求提出, 在下風(fēng)灣和權(quán)松尾灣珊瑚修復(fù)區(qū)構(gòu)建水下原位感知節(jié)點(diǎn), 同步在島陸構(gòu)建土壤和氣象在線感知節(jié)點(diǎn), 通過(guò)對(duì)生態(tài)環(huán)境的綜合感知及智慧管控來(lái)評(píng)估珊瑚修復(fù)狀態(tài)以及周邊水質(zhì)、氣象 和土壤環(huán)境的健康狀況及其對(duì)珊瑚等典型生態(tài)系統(tǒng)的作用和影響。廟灣島目前為無(wú)人居住島, 供電及岸基中轉(zhuǎn)站防護(hù)能力受限, 基于此, 本文提出了如圖1 所示無(wú)人居住海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)總體構(gòu)架, 主要包括不同節(jié)點(diǎn)生態(tài)環(huán)境感知傳感、無(wú)線/有線遠(yuǎn)、近距離物聯(lián)網(wǎng)大容量信息傳輸、岸基供電及信息融合中轉(zhuǎn)、遠(yuǎn)程服務(wù)器終端的遙控及信息接收、清洗、分類存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘、信息分發(fā)服務(wù)及生態(tài)環(huán)境健康評(píng)價(jià)等技術(shù)模塊。本文重點(diǎn)對(duì)海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)信息感知及傳輸技術(shù)等海島物聯(lián)網(wǎng)共性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究, 應(yīng)用服務(wù)終端作為下一步的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容將在各個(gè)節(jié)點(diǎn)建設(shè)完備并實(shí)現(xiàn)常態(tài)化監(jiān)控的基礎(chǔ)上結(jié)合感知結(jié)果、用戶需求等作進(jìn)一步的精細(xì)化研究。

2 監(jiān)測(cè)要素及感知技術(shù)

2.1 監(jiān)測(cè)要素

節(jié)點(diǎn)感知傳感器主要有: 水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器[化學(xué)需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)、溶解氧(DO)、濁度(TUB)、總磷(TP)、總氮(TN)], 水文傳感器[pH、溫鹽深(CTD)、流速、流向、潮位等], 生態(tài)傳感器[光合有效輻射(PAR)、葉綠素a 等], 水下高清視頻單元, 土壤溫濕度, 地表徑流及氣象傳感器(溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、氣壓等)等。

為了獲取珊瑚生長(zhǎng)狀況及海島特點(diǎn), 海底生境感知節(jié)點(diǎn)均配設(shè)有高清視頻攝像單元, 可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)島礁珊瑚、魚(yú)類及其他生境參數(shù)的變化。除此之外, 兩個(gè)海底節(jié)點(diǎn)根據(jù)其地理及人文環(huán)境特點(diǎn), 關(guān)注的參數(shù)也有所不同, 如: 下風(fēng)灣作為廟灣島的著名旅游景點(diǎn), 陸源污染物排放量對(duì)水環(huán)境影響較大, 因此該節(jié)點(diǎn)除了配制CTD、COD、DO、TUB、葉綠素a、PAR 以及流速流向等傳感器之外, 還增設(shè)了總氮總磷傳感器。島陸土壤環(huán)境重點(diǎn)監(jiān)測(cè)土壤溫濕度以及地表徑流等, 海島氣象節(jié)點(diǎn)則主要觀測(cè)風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度、氣壓等。對(duì)于海底原位感知傳感器, 長(zhǎng)時(shí)間序列感知必然涉及到傳感器的防污染能力, 它是確保儀器有效維護(hù)周期的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù), 在本系統(tǒng)中, 所有基于光學(xué)原理的傳感器探測(cè)窗口均配置了自主研發(fā)的多適應(yīng)性防污染清潔裝置, 除此之外, 對(duì)濕化學(xué)傳感器及其他水質(zhì)水文傳感器, 通過(guò)紅銅包裹進(jìn)樣口等核心組件來(lái)提高其防污染的能力(曹文熙 等, 2018)。所有傳感器安裝在如圖2 所示的座底平臺(tái)長(zhǎng)期布放在海底。

圖1 海島生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)總體構(gòu)架 Fig. 1 The overall framework of the ecological and environmental Internet of things

圖2 傳感器海底安裝平臺(tái) Fig. 2 Platform of underwater sensors

2.2 傳感器數(shù)據(jù)采集控制技術(shù)

傳感器數(shù)據(jù)采集及傳輸控制系統(tǒng)主要用于控制各個(gè)傳感器工作過(guò)程、實(shí)時(shí)采集其感知信息并基于局域網(wǎng)傳輸至岸基中繼站再經(jīng)無(wú)線廣域網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程服務(wù)器。監(jiān)測(cè)信息涵蓋高清視頻流、葉綠素質(zhì)量濃度、溶解氧、濁度、耗氧量、流速流向等水質(zhì)水文傳感器的ASCⅡ數(shù)據(jù)等。為便于信息的獨(dú)立管控、提高傳感器數(shù)據(jù)采集控制技術(shù)的靈活性和通用性, 對(duì)于布放于海底的生境原位感知系統(tǒng), 其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體上分為4 大模塊: 視頻采集模塊、水質(zhì)水文數(shù)據(jù)采集及控制模塊、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、工作電壓轉(zhuǎn)換及供電控制模塊, 設(shè)計(jì)原理及實(shí)物如圖2 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖(a)及實(shí)物圖(b) Fig. 3 The principle diagram and physical diagram of data acquisition system

為實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能模塊、多接口智能控制, 數(shù)據(jù)采集及控制模塊采用低功耗32 位ARM 芯片作為CPU。圖3 所示框圖中, 高清攝像單元不少于2 個(gè), 為確保水下長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)的有效性以及夜間及光照條件不充分情況下視頻攝像的清晰度, 每個(gè)高清攝像單元由3 部分組成: 高清視頻攝像頭、照明光源及光學(xué)窗口防污染清潔裝置。為便于遠(yuǎn)程工作控制及管理, 視頻攝像單元及水質(zhì)水文傳感器模塊的 供電均由岸基中繼站直接控制, 視頻攝像單元的視頻流直接通過(guò)交換機(jī)上傳至岸基中繼站。數(shù)據(jù)采集及控制模塊主要用于水質(zhì)水文及生態(tài)參數(shù)原位采集及傳輸控制, 數(shù)據(jù)采集及控制模塊與水質(zhì)水文及生態(tài)參數(shù)傳感器之間基于RS232 通訊, 與岸基中繼站之間基于RJ45 通訊。為了提高數(shù)據(jù)采集及控制模塊的可擴(kuò)展性和通用性, 板載接口包括: RJ45、RS232、RS485、SPI、I2C、I/O 位控等, 其中RS232 接口不少于8 個(gè), RJ45 接口不少于2 個(gè), I/O 預(yù)留不少于16個(gè), 控制板上同時(shí)基于ARM 內(nèi)部的ADC 設(shè)計(jì)有不少于8 路12 位A/D 轉(zhuǎn)換輸入端, 用于供電能力監(jiān)控等輔助功能的實(shí)現(xiàn)。

3 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)據(jù)傳輸包括感知節(jié)點(diǎn)與岸基中繼站之間的數(shù)據(jù)傳輸、岸基中繼站與遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室終端服務(wù)器之間以及感知節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室終端服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3.1 節(jié)點(diǎn)與岸基中繼站之間數(shù)據(jù)信息傳輸技術(shù)

與中繼站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換的感知節(jié)點(diǎn)主要包括兩個(gè)海底原位生境視頻及水質(zhì)水文參數(shù)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和島陸土壤及氣象觀測(cè)節(jié)點(diǎn)(圖1)。島陸土壤氣象節(jié)點(diǎn)與岸基信息中繼站之間通訊相對(duì)簡(jiǎn)單, 主要基于RS232 短距離有線數(shù)據(jù)傳輸, 在此主要介紹海底感知節(jié)點(diǎn)與岸基中繼站之間近距離大容量數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳輸。

海底原位生境視頻及水質(zhì)水文生態(tài)參數(shù)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息包括高清視頻信息流以及水質(zhì)水文生態(tài)數(shù)據(jù), 其中, 大容量視頻信息流的可靠傳輸是海底原位監(jiān)控節(jié)點(diǎn)構(gòu)建過(guò)程中必須解決的一個(gè)技術(shù)難題。目前對(duì)于海底大容量高清視頻信息的傳輸一般有光纖(傳輸距離遠(yuǎn)、建設(shè)及維護(hù)成本高)、雙絞線(建設(shè)及維護(hù)成本低、傳輸距離受限)和同軸電纜(建設(shè)及維護(hù)成本較高、傳輸距離受限)等。綜合考慮上述通訊介質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn), 根據(jù)海島生態(tài)環(huán)境原位視頻監(jiān)控系統(tǒng)布放位置離岸距離(不超過(guò)800m)及水深(不超過(guò)10m), 物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中將利用雙絞線配合信號(hào)中繼放大器(圖4), 實(shí)現(xiàn)1.0km 范圍大容量視頻信息寬帶傳輸技術(shù)。圖4a 為海底感知節(jié)點(diǎn)與岸基站之間通訊鏈路構(gòu)建方案, 圖4b 為室內(nèi)模擬測(cè)試結(jié)果。信號(hào)中繼放大器的傳輸速度為1Gbps, 最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá) 2km, 測(cè)試所用電纜為超五類雙絞線, 測(cè)試結(jié)果表明基于雙絞線和信號(hào)中繼放大器的通訊帶寬隨通訊距離基本呈線性衰減, 在1km 通訊距離范圍內(nèi), 雙絞線通訊帶寬不低于 28M, 因所選用1080P 高清視頻攝像頭的視頻碼流不高于 6.5M, 因此, 經(jīng)中繼器放大后的雙絞線通訊完全可以滿足4 路以內(nèi)高清視頻流在1km 范圍內(nèi)的無(wú)失真可靠傳輸。

圖4 基于雙絞線大容量信息通訊原理(a)及可靠性試驗(yàn)(b) Fig. 4 The principle and reliability test of large capacity information communication technology based on twisted- pair wires

良好的通訊協(xié)議及握手信號(hào)是配合硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息可靠傳輸?shù)能洷Ｕ?。本系統(tǒng)中, 為便于區(qū)別感知傳感器類型, 通訊協(xié)議規(guī)定每幀數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)頭、指令類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位以及數(shù)據(jù)尾組成, 如圖5。其中數(shù)據(jù)頭定義為B0H、B1H, 數(shù)據(jù)尾定義為B2H、B3H、B4H、B5H, 參數(shù)類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及數(shù)據(jù)檢驗(yàn)均為低位在前高位在后。指令類型共計(jì)兩個(gè)字節(jié), 其中高位字節(jié)取值00H 和FFH, 00H 為從傳感器讀取數(shù)據(jù), 例如0001H 是從傳感器EXO2 讀取數(shù)據(jù); FF 為發(fā)送控制指令給傳感器內(nèi)部CPU, 例如FF00H 時(shí), 發(fā)送數(shù)據(jù)采集模塊串口配置參數(shù), 此時(shí), 數(shù)據(jù)共5 個(gè)字節(jié), 第一個(gè)字節(jié)指定第N 個(gè)串口, 后面四個(gè)字節(jié)為波特率大小, 最大115200。FFFFH 定義為數(shù)據(jù)采集模塊網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù), 若需要配置模塊IP 地址為: 192.168.89.100, 端口: 50000, 子網(wǎng)掩碼: 255.255.255.0, 網(wǎng)關(guān): 192.168.89.1, 則發(fā)送內(nèi)容如下: C0 A8 59 64 50 C3 FF FF FF 00 C0 A8 59 01。數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼生成規(guī)則為數(shù)據(jù)頭、指令類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)的和相加, 再取反加1 的結(jié)果。

圖5 節(jié)點(diǎn)與岸基中繼站通訊協(xié)議 Fig. 5 The communication protocol between sensor node and shore-based relay station

3.2 節(jié)點(diǎn)及岸基中繼站與遠(yuǎn)程終端服務(wù)器之間數(shù)據(jù)信息傳輸技術(shù)

如圖1 所示, 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器終端接收來(lái)自岸基中繼站的數(shù)據(jù)信息, 岸基中繼站(廟灣島)與實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器(廣州)之間的通信屬于遠(yuǎn)距離大容量通信。遠(yuǎn)距離信息傳輸媒介主要有5G、4G、海事衛(wèi)星通信以及銥星通信等, 經(jīng)實(shí)地考察, 廟灣島僅有中國(guó)移動(dòng)4G 信號(hào), 基于原位監(jiān)控視頻信息流的特點(diǎn)及信息傳輸實(shí)時(shí)性要求, 綜合考慮性價(jià)比, 選用移動(dòng)4G 通信。因各節(jié)點(diǎn)傳輸信息量主要集中在視頻流, 按照每次定點(diǎn)開(kāi)機(jī)每個(gè)視頻攝像頭采集3min 約160MB, 共計(jì)2 個(gè)攝像頭、4G 寬帶平均上行速率500kbps 進(jìn)行估算, 完成3min 視頻流遠(yuǎn)程傳輸平均耗時(shí)約10min 左右, 可以滿足信息傳輸實(shí)時(shí)性的要求。

4 岸基中繼站

岸基中繼站是海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的“接力及中轉(zhuǎn)站”, 同時(shí)也是海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的在線“指揮中心”, 岸基中繼站主要用于海底原位監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和島陸土壤氣象觀測(cè)節(jié)點(diǎn)定點(diǎn)開(kāi)關(guān)機(jī)工作控制、來(lái)自感知節(jié)點(diǎn)信息接收、緩沖、轉(zhuǎn)發(fā)及遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室終端服務(wù)器遙控指令(具體包括開(kāi)機(jī)時(shí)間、傳感器工作時(shí)長(zhǎng)等關(guān)鍵參數(shù)的更改和設(shè)定)的接收和實(shí)施。圖6 所示為岸基中繼站硬件結(jié)構(gòu)及其實(shí)物圖, 其中的核心組成部分主要有中繼站CPU、遠(yuǎn)程無(wú)線通訊路由器、供電遙控模塊、信號(hào)中繼放大器以及供電電池組等。

4.1 傳感器的供電技術(shù)

供電方式必須以海島現(xiàn)有條件為基礎(chǔ), 擬構(gòu)建海島無(wú)民用電力供應(yīng), 因此設(shè)計(jì)采用太陽(yáng)能電池與蓄電池聯(lián)合供電的方式為各個(gè)感知節(jié)點(diǎn)以及岸基中繼站供電。在正常情況下, 太陽(yáng)能電池給蓄電池充電, 并提供電能給各節(jié)點(diǎn)和岸基站, 當(dāng)遇到陰雨天, 太陽(yáng)能供電不足時(shí), 改由蓄電池供電。為節(jié)約用電, 各節(jié)點(diǎn)傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及岸基站等都采用間歇式定時(shí)工作模式?？紤]有限電能的合理高效使用, 同時(shí)為了靈活控制各節(jié)點(diǎn)感知系統(tǒng)的工作頻率、時(shí)長(zhǎng)以及獲取的參數(shù), 中繼站設(shè)計(jì)時(shí)充分利用實(shí)驗(yàn)室終端服務(wù)器遠(yuǎn)程遙控岸基供電遙控模塊啟動(dòng)中繼站CPU 及各節(jié)點(diǎn)供電, 特別對(duì)于海底感知節(jié)點(diǎn), 供電方式選擇從岸站布設(shè)電纜供電, 因岸基蓄電池與太陽(yáng)能電池板結(jié)合提供24V 直流電, 為配合電能海底輸送寬動(dòng)態(tài)纜上損耗, 先利用DC/DC 將24V 升壓至100V 以上再進(jìn)行海底輸送(圖6b), 同時(shí)海底感知節(jié)點(diǎn)適配寬動(dòng)態(tài)范圍DC/DC 模塊將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需24VDC (圖3)。

4.2 中繼站工作控制

岸基中繼站采用研華無(wú)風(fēng)扇微小型嵌入式工控機(jī)EBC-1122 作為主控系統(tǒng)(CPU), 其板載RS232、USB、RJ45 等多種通訊接口, 可工作于–20～60℃范圍內(nèi), 體積小、功耗低, 支持硬件來(lái)電開(kāi)機(jī), 可集成度高, 非常適合用作無(wú)人值守岸基中繼站CPU, 如圖6 所示。中繼站的功能主要有: 1) 供電遙控開(kāi)關(guān)模塊全天候待機(jī)等待接收遠(yuǎn)程服務(wù)器指令或啟動(dòng)板載定時(shí)開(kāi)機(jī)功能, 供電遙控開(kāi)關(guān)通過(guò)接收遠(yuǎn)程開(kāi)機(jī)指令或定時(shí)啟動(dòng)板載時(shí)鐘中斷控制EBC-1122 及各感知節(jié)點(diǎn)上電, 進(jìn)入節(jié)點(diǎn)工作控制、信息接收、儀器工作狀態(tài)監(jiān)控以及信息流的融合及遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)發(fā); 2) EBC-1122 開(kāi)機(jī)工作階段實(shí)時(shí)查詢并接收遠(yuǎn)程服務(wù)器指令并根據(jù)指令控制選?；騿?dòng)節(jié)點(diǎn)傳感器工作; 3) EBC-1122 板載256G 固態(tài)硬盤(pán)實(shí)時(shí)暫存節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù), 按照每天工作6 次, 每次開(kāi)機(jī)工作3min, 每次數(shù)據(jù)320M 估算, 至少可滿足3 個(gè)月的數(shù)據(jù)存儲(chǔ); 4) 工作結(jié)束后, 供電遙控開(kāi)關(guān)控制關(guān)斷EBC-1122 及感知節(jié)點(diǎn)工作電源, 遙控開(kāi)關(guān)模塊進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

圖6 岸基中繼站供電及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理(a)及實(shí)物結(jié)構(gòu)(b、c) b. 岸基中繼站CPU 及供電遙控模塊; c. 岸基中繼站供電及充電模塊 Fig. 6 Design principle and physical structure of power supply and control system of shore-based relay station

5 實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器終端大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器終端大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的功能主要包括: 1) 遠(yuǎn)程控制供電遙控開(kāi)關(guān)的定時(shí)啟動(dòng)與關(guān)閉, 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)功能; 2) 接收并實(shí)時(shí)展示岸基中繼站轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)文件; 3) 根據(jù)過(guò)濾條件清洗及分類存儲(chǔ)文件, 提供查找數(shù)據(jù)和導(dǎo)出操作。終端服務(wù)器為一臺(tái)10TB 硬盤(pán)、32GECC 內(nèi)存的工業(yè)服務(wù)器, 滿足數(shù)據(jù)的處理、展示、儲(chǔ)存及后續(xù)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。服務(wù)器通過(guò)遠(yuǎn)程發(fā)送開(kāi)機(jī)時(shí)間的方式對(duì)岸基站的電源供給進(jìn)行靈活控制; 獲取當(dāng)前已連接的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行功能測(cè)試; 接收、儲(chǔ)存、處理并展示實(shí)時(shí)接收文件及信息; 通過(guò)比較岸基站文件的MD5 的值與本地相應(yīng)文件的MD5 值驗(yàn)證服務(wù)器接收文件與中繼站文件的一致性來(lái)驗(yàn)證接收數(shù)據(jù)的可靠性, 若出現(xiàn)不一致, 則根據(jù)指定查詢條件, 通過(guò)數(shù)據(jù)查詢過(guò)濾數(shù)據(jù)內(nèi)容。圖7 為服務(wù)器終端工作流程圖。

6 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及性能測(cè)試

目前, 各節(jié)點(diǎn)信息感知、物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸、遠(yuǎn)程服務(wù)器終端功能以及整套海島生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)信 息感知及傳輸系統(tǒng)已完成室內(nèi)聯(lián)調(diào)及現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試, 圖8 為其中一節(jié)點(diǎn)室內(nèi)聯(lián)調(diào)及服務(wù)器終端實(shí)時(shí)信息接收及管理結(jié)果, 系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室無(wú)故障運(yùn)行30d 以上。2020 年6 月3 日至6 日在惠州灣開(kāi)展為期4d 的原位測(cè)試試驗(yàn), 驗(yàn)證了傳感器原位監(jiān)測(cè)的可行性以及遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)目煽啃? 整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定, 圖9 所示為連續(xù)4d 各水環(huán)境感知傳感器實(shí)測(cè)信息展示。實(shí)驗(yàn)室終端實(shí)時(shí)接收視頻如圖10 所示。2020 年7 月中旬將開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建及示范應(yīng)用, 為下風(fēng)灣和全松尾灣珊瑚修復(fù)及健康評(píng)價(jià)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖7 服務(wù)器工作流程圖 Fig.7 The software flowchart of terminal server

7 結(jié)束語(yǔ)

基于廟灣島典型海島珊瑚修復(fù)需求, 結(jié)合海島地理及人文環(huán)境, 研發(fā)典型海島生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 重點(diǎn)就物聯(lián)網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)感知技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)、岸基信息中繼控制技術(shù)及遠(yuǎn)程服務(wù)器控制和信息管理技術(shù)展開(kāi)研究, 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明, 各節(jié)點(diǎn)感知可靠、信息傳輸及服務(wù)器遠(yuǎn)程遙控安全。本文所述海島生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)信息感知及傳輸技術(shù)可為海島及海洋生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)及智慧海洋建設(shè)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)感知、通訊供電及遙測(cè)遙控提供較為詳盡的技術(shù)參考。

圖8 服務(wù)器終端實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信息記錄 Fig. 8 Information recording in terminal server

圖9 時(shí)間序列現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù) a～l 依次為流向、流速、pH、溫度、光合有效輻射、生物需氧量、化學(xué)需氧量、溶解氧、鹽度、藻藍(lán)蛋白質(zhì)量濃度、濁度、葉綠素a質(zhì)量濃度時(shí)間序列變化趨勢(shì) Fig. 9 Time series of in-situ test data recording in terminal server (from Fig. 9a to Fig. 9l: the changes of hydrology and water quality data (flow direction, flow velocity, pH, ocean temperature, PAR, BOD, COD, DO, salinity, phycocyanin, turbidity and chlorophyll a) with time

圖10 終端服務(wù)器接收記錄的實(shí)時(shí)視頻信息 Fig. 10 In-situ video Information recording in terminal server