基于5G通信技術(shù)的網(wǎng)箱養(yǎng)殖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭曉偉，李培良，鄧 熙，李水晶，梁振夫，姜慶巖

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；2.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021；3.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)海南有限公司，海南 陵水 572400)

引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展，網(wǎng)箱養(yǎng)殖日益趨于普遍化和多元化，其具有低投入和高產(chǎn)出等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外海水養(yǎng)殖的重要方式之一。但是，受網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚類密度大、海洋污染或惡劣氣候變化的影響，容易導(dǎo)致海水溶解氧或者溫度等水文生態(tài)要素發(fā)生驟變，造成大量的魚類死亡[1]。因此，能夠及時(shí)地監(jiān)測(cè)網(wǎng)箱的水質(zhì)情況、實(shí)時(shí)播報(bào)水下生物狀況成為一項(xiàng)應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況的重要舉措，從而保障網(wǎng)箱養(yǎng)殖的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

傳統(tǒng)的網(wǎng)箱養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)主要有兩種方式：第一種是人工采樣的方式，即潛水員通過攜帶水下攝像機(jī)和傳感器設(shè)備進(jìn)行人工記錄，這種監(jiān)測(cè)方式的周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度較大、時(shí)效性差，無法做到連續(xù)、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)，而且人力成本較高[2]。第二種是采用美國(guó)的YSI水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，雖然數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)乃俣容^快、測(cè)量參數(shù)較多、精度高，但是系統(tǒng)成本較高、操作復(fù)雜[3]，并不適合長(zhǎng)期的網(wǎng)箱養(yǎng)殖在線監(jiān)測(cè)。

基于上述現(xiàn)狀，在綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的前提下，本文提出了基于5G通信技術(shù)的網(wǎng)箱養(yǎng)殖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)采用光伏陣列、蓄電池組和太陽(yáng)能控制器組合的方式為整個(gè)系統(tǒng)提供電源支持，岸基控制系統(tǒng)通過水密電纜與水下監(jiān)測(cè)設(shè)備建立連接，并將溫度、鹽度、深度和溶解氧等常規(guī)水文生態(tài)要素?cái)?shù)據(jù)以及水下高清視頻經(jīng)5G數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)上傳至數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心后臺(tái)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，如果發(fā)現(xiàn)超出閾值范圍就將預(yù)警信息發(fā)送至相關(guān)管理人員手機(jī)，從而能夠及時(shí)做出相應(yīng)的應(yīng)急方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)箱水質(zhì)變化情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)箱養(yǎng)殖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、水下監(jiān)測(cè)設(shè)備、5G數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心等組成。光伏發(fā)電控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)給整個(gè)系統(tǒng)提供能源供給，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)集成搭載水下監(jiān)測(cè)設(shè)備，同時(shí)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和視頻等通過5G數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)上傳至數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案示意圖

1.1 光伏發(fā)電控制系統(tǒng)

光伏發(fā)電控制系統(tǒng)主要包括光伏陣列、蓄電池組、太陽(yáng)能控制器等。光伏陣列將光能轉(zhuǎn)換成電能，并通過太陽(yáng)能控制器進(jìn)行充放電，蓄電池組負(fù)責(zé)給整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能源供給，在陰雨多霧等極端天氣條件下使系統(tǒng)保持穩(wěn)定正常工作。

1.2 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)是網(wǎng)箱養(yǎng)殖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心研究?jī)?nèi)容，是完成網(wǎng)箱養(yǎng)殖在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。系統(tǒng)內(nèi)部搭載了ARM嵌入式控制系統(tǒng)集成電路，同時(shí)引入了控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)現(xiàn)場(chǎng)總線分布式管理方式的思想[7]。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)按照功能主要分為能源管理與控制、數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)傳輸控制等單元，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 能源管理與控制單元

能源管理與控制單元主要負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能控制器負(fù)載輸出的DC12V進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，根據(jù)數(shù)據(jù)采集控制單元中ARM控制系統(tǒng)和CAN控制模塊不同的輸入電壓進(jìn)行相應(yīng)的電壓分配。其中DC12V/5V、DC12V/12V電壓轉(zhuǎn)換模塊分別實(shí)現(xiàn)給ARM控制系統(tǒng)和CAN控制模塊供電。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集控制單元

數(shù)據(jù)采集控制單元主要是通過TCP/IP、CAN、RS485、RS232等不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與水下監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的通信[4]，并給水下監(jiān)測(cè)設(shè)備提供電源支持。ARM控制系統(tǒng)和CAN控制模塊作為數(shù)據(jù)采集控制單元的核心模塊，通過獲取岸基控制系統(tǒng)下達(dá)的電源控制、采樣控制等命令，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸控制單元進(jìn)行傳感器供電控制和采樣配置，從而完成傳感器在線數(shù)據(jù)采樣和視頻采集。同時(shí)，將采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析組包，并對(duì)采集的視頻進(jìn)行壓縮解碼，最終實(shí)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心。

考慮到系統(tǒng)運(yùn)行在相對(duì)惡劣的環(huán)境，本文選用具有體積小、功耗低、成本低、性能高等優(yōu)點(diǎn)的CPU芯片(型號(hào)AT91SAM9263)作為數(shù)據(jù)采集控制單元的ARM控制系統(tǒng)中央處理器[11]，并以典型的AVR單片機(jī)芯片(型號(hào)AT90CAN128)作為CAN控制模塊中央處理器。

ARM控制系統(tǒng)與CAN控制模塊之間采用具有較強(qiáng)糾錯(cuò)能力的CAN總線協(xié)議作為數(shù)據(jù)通信協(xié)議，CAN總線的分布式管理方式思想不僅解決了對(duì)于多個(gè)處理器集成傳感器的管理和控制，同時(shí)CAN總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到110個(gè)，這樣就增加了后期的可擴(kuò)展性[5]。

1.2.3 數(shù)據(jù)傳輸控制單元

考慮到RS232串口通信協(xié)議的傳輸距離較短，本文選用RS485串口通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離有線傳輸，避免造成數(shù)據(jù)在傳輸過程中大量丟失。RS485協(xié)議采用一對(duì)雙絞線進(jìn)行信號(hào)傳輸，可以在發(fā)送端通過驅(qū)動(dòng)器將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，同時(shí)在接收端將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)，這種信號(hào)傳輸?shù)姆绞骄哂泻軓?qiáng)的抗干擾性、接收靈敏高和信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[6]。

1.3 水下監(jiān)測(cè)設(shè)備

水下監(jiān)測(cè)設(shè)備主要包括多參數(shù)水質(zhì)儀和水下高清攝像機(jī)。多參數(shù)水質(zhì)儀主要測(cè)量海水溫度、鹽度、深度、溶解氧等參數(shù)，溫度的測(cè)量精度為0.01 ℃，分辨率為0.001 ℃；鹽度的精度為0.01% psu，分辨率為0.001% psu；深度的測(cè)量精度為0.1% m，分辨率為0.01% m；溶解氧的測(cè)量范圍為120%飽和度，分辨率為±0.1 mg/L。水下高清攝像機(jī)采用30倍光學(xué)變焦、172°超廣角鏡頭，并支持1920×1080p高清視頻輸出。

圖3 5G數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

1.4 5G數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5th generation mobile networks，簡(jiǎn)稱5G)現(xiàn)已經(jīng)成為全球移動(dòng)通信領(lǐng)域中新一輪技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的保障[12]。5G作為4G的升級(jí)之作，5G以高數(shù)據(jù)傳輸速率、降低延遲和成本、節(jié)省資源等優(yōu)勢(shì)獲得了大范圍認(rèn)可，同時(shí)大幅度地提升了網(wǎng)絡(luò)容量[8]。本文中5G數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過在系統(tǒng)中布置CPE終端設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)通道，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和高清視頻業(yè)務(wù)回傳的需求。

在海測(cè)過程中，CPE終端設(shè)備接收5G的RSRP值達(dá)到約-90 dBm左右，SINR值達(dá)到20 dB以上，平均上傳速率達(dá)到24 Mbps，接入指標(biāo)、ping包時(shí)延和下載速率良好，滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和高清視頻上傳的業(yè)務(wù)需求?？紤]到CPE終端在海平面?zhèn)鬏?G信號(hào)，RSRP值有一定的波動(dòng)現(xiàn)象，但下載速率總體比較穩(wěn)定。當(dāng)CPE終端在2 km處，信號(hào)電平值達(dá)到-91 dBm，下載速率達(dá)到488 Mbps；在6 km處時(shí)信號(hào)電平值達(dá)到-114 dBm左右，下載速率穩(wěn)定在250 Mbps，如表1所示。分析表1數(shù)據(jù)可得，5G信號(hào)在海平面?zhèn)鞑r(shí)，RSRP值隨距離增大而下降，距離每增加1 km，信號(hào)電平值平均下降4.73 dBm，而下載速率下降則比較平緩，并始終保持在250 Mbps以上。相比之下，5G的峰值速率達(dá)到4G的10倍以上，時(shí)延達(dá)到10 ms以下，從而能夠提供更大帶寬、更低時(shí)延和更多鏈接，增加數(shù)據(jù)和視頻傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

表1 現(xiàn)場(chǎng)5G下載速率測(cè)試結(jié)果表

1.5 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心作為數(shù)據(jù)和視頻存儲(chǔ)的平臺(tái)，通過一系列軟件應(yīng)用和人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和視頻的接收、存儲(chǔ)、解析、同步展示等一系列功能，主要包括手機(jī)移動(dòng)終端App的發(fā)布[9]。

為了用戶更方便地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)箱的數(shù)據(jù)變化，開發(fā)手機(jī)移動(dòng)終端App。通過在遠(yuǎn)程服務(wù)器創(chuàng)建應(yīng)用，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，增加App與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心的交互鏈路，在手機(jī)移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線更新、展示視頻和數(shù)據(jù)[10]。同時(shí)，App后臺(tái)應(yīng)用會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解析和處理，如果發(fā)現(xiàn)超出閾值范圍就將預(yù)警信息推送至相關(guān)管理人員手機(jī)，實(shí)現(xiàn)真正意義的監(jiān)測(cè)預(yù)警，發(fā)布流程如圖4所示。

圖4 手機(jī)App發(fā)布流程圖

2 試驗(yàn)分析

系統(tǒng)在陵水黎族自治縣網(wǎng)箱養(yǎng)殖基地站點(diǎn)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)布放，如圖5所示。同時(shí)在2019年11月8日至20日的時(shí)間周期內(nèi)進(jìn)行了連續(xù)的數(shù)據(jù)和視頻采樣分析，并總結(jié)出了溫度、鹽度、深度、溶解氧等參數(shù)的變化規(guī)律。

圖5 網(wǎng)箱養(yǎng)殖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布放現(xiàn)場(chǎng)圖

水溫在該時(shí)間階段內(nèi)大致呈下降趨勢(shì)，平均水溫保持在26.7 ℃左右。受到外來水團(tuán)或者天氣原因的影響，該觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的鹽度呈下降趨勢(shì)且變化較為平穩(wěn)，平均鹽度基本保持在29.43 psu左右。水下固定裝置懸于網(wǎng)箱中間位置，因此傳感器測(cè)量水位深度的變化基本符合網(wǎng)箱上下浮動(dòng)的水位潮周期變化，但在12日有明顯的水位漲幅，并且由于天氣惡劣引起的海上風(fēng)浪較大，導(dǎo)致當(dāng)日測(cè)量的平均水位較高。由于觀測(cè)設(shè)備周圍的微生物附著和魚類群聚變化不定，導(dǎo)致溶解氧在該時(shí)段內(nèi)上下波動(dòng)明顯且濃度較低，平均濃度大約保持在3.88 mg·L-1，如圖6所示。

圖6 水文生態(tài)要素時(shí)序變化圖

水下高清視頻可以更加清晰地了解網(wǎng)箱魚類等生物的生長(zhǎng)狀況，同時(shí)可以調(diào)節(jié)水下監(jiān)測(cè)設(shè)備高度來觀察網(wǎng)箱底部有無漏網(wǎng)等現(xiàn)象，在一定程度上切實(shí)保障網(wǎng)箱養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益，避免造成巨大損失，水下實(shí)況高清視頻截圖如圖7所示。

圖7 水下高清視頻截圖

3 結(jié)論

本文提出的一種基于5G通信技術(shù)的網(wǎng)箱養(yǎng)殖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)在陵水黎族自治縣網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域進(jìn)行成功布放和業(yè)務(wù)化運(yùn)行，是海南省首個(gè)結(jié)合深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)開展的5G試點(diǎn)項(xiàng)目。采用新型的5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速度更快，可靠性更高，克服了連接通信電纜麻煩等難題，有效解決深遠(yuǎn)海通信需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域的溫度、鹽度、深度、溶解氧等常規(guī)水文生態(tài)要素和水下高清視頻的連續(xù)、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)。通過對(duì)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和驗(yàn)證，總結(jié)水質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間變化和養(yǎng)殖魚類等生物的健康狀況和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對(duì)于了解網(wǎng)箱養(yǎng)殖的生態(tài)狀況、量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和進(jìn)行預(yù)警等具有重要的科學(xué)意義。