基于物聯(lián)網(wǎng)的電捕漁船實時偵測系統(tǒng)研究

龐新苗，廖平

（1.湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207；2.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

0 引言

江河魚類資源的保護(hù)越來越迫切，我國《中華人民共和國漁業(yè)法實施細(xì)則》明確禁止對魚類濫捕濫殺的行為，然而仍然存在非法捕魚現(xiàn)象，其中高壓電捕漁是一種毀滅性的、極具危險性的捕魚方法，對魚、對人、對環(huán)境都有著巨大的危害，主要表現(xiàn)為：（1）電極所到之處，不論大魚還是小魚全部被電死，從而造成漁業(yè)資源的進(jìn)一步嚴(yán)重破壞[1]。（2）電擊魚還會對魚類的食物，一些河流中棲息的無脊椎動物造成嚴(yán)重傷害，使魚的生物餌料減少，間接影響漁業(yè)資源的恢復(fù)[2-3]。（3）電魚器電死大量的魚及其他生物，只有很少數(shù)被電魚人帶走，逐漸腐敗變質(zhì)，影響河流水質(zhì)。當(dāng)前對高壓電船非法捕魚的監(jiān)控主要是用執(zhí)法船巡邏的方式進(jìn)行監(jiān)控，但電船出現(xiàn)的時間和地點很有隨機性。所以，研究開發(fā)出一種能及時動態(tài)對電船進(jìn)行監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并對其非法活動進(jìn)行控制，已經(jīng)是非常緊迫！

1 電捕漁船捕魚信號在水中傳播機理及偵測器設(shè)計

1.1 電捕漁船捕魚信號在水中傳播機理

電捕漁船的核心裝置就是電魚機，其原理就是將低電壓大電流的電源變換成高電壓，通過在水中電極瞬間脈沖放電。這種電魚機發(fā)出的脈沖頻率通常在50～500KHz，電壓幅值高達(dá)幾千伏特，所產(chǎn)生的電場使得周圍幾米水域內(nèi)的魚類被擊暈。水中的電場E與與高壓脈沖源幅值U和距離S的關(guān)系是[4-5]：

式中：k為水的電導(dǎo)率、溫度等環(huán)境系數(shù)

1.2 電捕漁船捕魚信號的捕獲

球形電場測量探頭是捕獲脈沖電場信號的較為理想的傳感器，球形電場探頭由空心球體和測量電容C組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

圖1 球形電場探頭結(jié)構(gòu)示意圖

兩半球型金屬電極之間通過測量電容器C連接，處于電場強度E的電場中的兩半球型金屬電極上出現(xiàn)感應(yīng)電荷，測量電容上將產(chǎn)生電壓U，該測量電壓為：

R為球形傳感器上的小球的半徑，ε為介電常數(shù)。

1.3 電捕漁船捕魚信號偵測器設(shè)計

為了能對電捕漁船實時監(jiān)測，需設(shè)計電捕魚信號偵測器，將非法捕魚信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)測中心和執(zhí)法的漁政人員手機上。為了實現(xiàn)這一功能，偵測器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[7-8]。

圖2 偵測器的硬件結(jié)構(gòu)

由于電魚機發(fā)出脈沖的位置距離岸邊水域球形電場測量探頭的距離較遠(yuǎn)，球形電場測量探頭感應(yīng)的電場比較弱，并且會夾雜干擾信號，必須要進(jìn)行信號放大和濾波處理，如圖3所示[9]。

圖3 感應(yīng)信號放大和濾波處理電路

GPRS通信模塊采用標(biāo)準(zhǔn)RS232串口，串口速率110～230400BPS，實現(xiàn)與專用GPRS Modem模塊數(shù)據(jù)通信[10]。

STM 32單片機是整個偵測器的控制核心，內(nèi)部集成了12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，球形電場測量探頭的信號放大和濾波處理輸出信號Vout可直接輸入到STM 32單片機的A/D轉(zhuǎn)換引腳。同時，內(nèi)置的串口模塊直接與GPRS通信模塊RS232串口進(jìn)行連接。偵測器有兩個按鍵，用于啟動和停止偵測器工作。信號顯示采用串口顯示屏，將采集信號變成圖形，供工作人員進(jìn)行信號分析。STM 32單片機的主電路模塊如圖4所示，其PCB設(shè)計如圖5[11-12]。

圖4 STM32單片機的主電路模塊

圖5 STM32單片機電路板設(shè)計圖

2 基于GPRS網(wǎng)的電捕漁船動態(tài)信息偵測系統(tǒng)設(shè)計

為了能夠?qū)崟r監(jiān)測電捕漁船的非法捕魚行為，應(yīng)用GPRS網(wǎng)技術(shù)選擇合適的網(wǎng)絡(luò)測點分布，從而實現(xiàn)對區(qū)域電捕漁船的追蹤，有效打擊非法電船捕魚，保護(hù)水資源和生態(tài)環(huán)境。為此，本文設(shè)計了基于GPRS網(wǎng)的電捕漁船實時偵測系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 基于GPRS網(wǎng)的電捕漁船實時偵測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GPRS Modem，它是一種實現(xiàn)GPRS（分組交換）通信的調(diào)制解調(diào)的設(shè)備，是一種物聯(lián)網(wǎng)傳輸終端，主要是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對偵測器采集到的信息遠(yuǎn)程傳送到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心對各偵測點傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)非法電捕魚船時，及時發(fā)送非法捕魚船的位置信息到執(zhí)法的漁政人員手機上，引導(dǎo)執(zhí)法人員快速到達(dá)執(zhí)法現(xiàn)場[13]。

3 現(xiàn)場測試實驗

本文在某一河段進(jìn)行了現(xiàn)場測試，在該河段沿岸水域每隔100米布置1個偵測器，用一條電捕漁船進(jìn)行模擬電捕魚。如圖7所示。

圖7 某河段現(xiàn)場測試布置圖

測試電船距離第i個偵測器小于50米時，則該偵測器能夠捕獲到電捕魚的周期性脈沖信號，實驗證明每個偵測器都能正常捕獲模擬電船的脈沖信號，如圖8所示[14-15]。

圖8 偵測器能夠捕獲到電捕魚的周期性脈沖信號

當(dāng)電船經(jīng)過某一偵測器時，偵測器感知脈沖信號并將報警信號通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)綑z測中心和執(zhí)法手機上，如圖9所示。實驗效果驗證了該系統(tǒng)的可行性和有效性[16]。

圖9 執(zhí)法手機獲取報警信息

4 結(jié)語

基于GPRS網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了電捕漁船動態(tài)信息偵測系統(tǒng)。通過在沿岸水域布置電場強度偵測器和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，進(jìn)行全天侯監(jiān)控電捕漁船的行為監(jiān)測，能有效的遏制此類非法捕魚行為和保護(hù)環(huán)境。此模型能有效節(jié)約人力資源，具有推廣應(yīng)用價值。