基于LoRa的非法捕魚(yú)偵察與追蹤系統(tǒng)*

鄭雯倩 閆興園 王皓

合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 安徽 合肥 230009

1 研究背景

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)非法捕魚(yú)偵察的研究較少，社會(huì)上對(duì)于非法捕魚(yú)現(xiàn)象的監(jiān)管仍主要依賴(lài)人工巡查的方式，效率低、實(shí)時(shí)性差且耗費(fèi)大量人力物力。一些傳統(tǒng)的偵察方式如無(wú)人機(jī)、無(wú)人船、衛(wèi)星等本質(zhì)上屬于視覺(jué)上的觀(guān)測(cè)，水體感知系統(tǒng)并不完整，不能識(shí)別出毒魚(yú)、電魚(yú)等行為，而仿生魚(yú)檢測(cè)又普遍存在作用范圍小、通信距離不足、靈活性差、偵察效率低等問(wèn)題[1]。在國(guó)外，對(duì)于非法捕魚(yú)行為則主要利用大量船舶的數(shù)據(jù)庫(kù)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，判斷非法轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)生的可能性，結(jié)合GPS、北斗等導(dǎo)航技術(shù)來(lái)檢測(cè)突發(fā)情況。但由于非法的、未報(bào)告的和不受管制的捕魚(yú)狀況類(lèi)型較多，數(shù)據(jù)庫(kù)的訓(xùn)練無(wú)法做到全覆蓋，且檢測(cè)手段仍然僅僅停留于視覺(jué)圖像上，缺乏對(duì)水域環(huán)境進(jìn)行全方位的感知，同樣，對(duì)于毒魚(yú)、電魚(yú)等隱蔽性較強(qiáng)的非法捕魚(yú)行為無(wú)能為力，且系統(tǒng)本身檢測(cè)時(shí)效響應(yīng)較慢，很難及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施。

綜上所述，目前的研究成果多數(shù)只對(duì)于偵察水上的船只有較好效果，對(duì)于沒(méi)有船只的非法捕撈行為難以偵察。而現(xiàn)有的仿生魚(yú)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)水下自主巡游，但對(duì)于非法捕魚(yú)而言，其感知能力并不完全，且其采用的wifi無(wú)線(xiàn)連接通信方式距離較小，使系統(tǒng)作用范圍受到局限。

我們注意到，LoRa具有更低的能耗，更遠(yuǎn)的傳輸距離及更高的靈敏度，因此我們采用LoRa技術(shù)對(duì)仿生魚(yú)進(jìn)行組網(wǎng)調(diào)度，一方面我們自行設(shè)計(jì)并提出了各類(lèi)型非法捕魚(yú)偵察方案，并通過(guò)多節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)互補(bǔ)來(lái)彌補(bǔ)仿生魚(yú)個(gè)體感知能力不足的問(wèn)題，另一方面通過(guò)大規(guī)模組網(wǎng)來(lái)擴(kuò)大仿生魚(yú)的偵察范圍，使系統(tǒng)整體通信距離能夠覆蓋水域?qū)挾龋岣邆刹煨?，降低日常巡查的人力、物力消耗，進(jìn)而有效打擊各類(lèi)型非法捕魚(yú)行為[2]。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)偵察與追蹤過(guò)程包含海陸空三方通信，并將偵察結(jié)果通過(guò)TLink 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)傳遞給用戶(hù)，各節(jié)點(diǎn)布置方式與主要功能如下：

2.1.1 終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)（仿生魚(yú)群）處于感知層，位于整個(gè)系統(tǒng)最底層。每條仿生魚(yú)作為一個(gè)可移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)，其主要功能如下[3]：①采集環(huán)境信息，如電導(dǎo)率、溫度、化學(xué)物質(zhì)濃度以及水聲檢測(cè)等。②通過(guò)LoRa 技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)上傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（無(wú)人機(jī)/地面基站）。③接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的指令，依據(jù)指令完成任務(wù)。

2.1.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（無(wú)人機(jī)/地面基站）是終端節(jié)點(diǎn)與 TLink 云平臺(tái)連接的橋梁，具有承上啟下的作用，其主要功能如下[4]：①與終端節(jié)點(diǎn)和TLink云平臺(tái)進(jìn)行通信，接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境信息并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi傳給TLink云平臺(tái)。②接收TLink云平臺(tái)指令，通過(guò)運(yùn)算自動(dòng)向終端節(jié)點(diǎn)傳遞移動(dòng)命令。

2.1.3 TLink 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。①對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理、存儲(chǔ)，并將信息通過(guò)網(wǎng)頁(yè)和移動(dòng)客戶(hù)端等方式呈現(xiàn)給有關(guān)部門(mén)。②有關(guān)部門(mén)可以通過(guò)TLink云平臺(tái)統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)、設(shè)置異常報(bào)警功能以及向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送操作指令。

2.2 通信系統(tǒng)驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)

以電導(dǎo)率和水聲探測(cè)的通信系統(tǒng)為例，實(shí)物系統(tǒng)由2兩個(gè)終端模塊、中繼和上位機(jī)構(gòu)成。兩個(gè)終端模塊分別為電導(dǎo)率發(fā)送端和噪聲發(fā)送端。電導(dǎo)率發(fā)送端采用電導(dǎo)率傳感器模塊——溶液水質(zhì)檢測(cè)電導(dǎo)率計(jì)，檢測(cè)水體電導(dǎo)率，STM32F103C8T6開(kāi)發(fā)板采集電導(dǎo)率信號(hào)，并配合ATK-LORA-01無(wú)線(xiàn)串口通信模塊將電導(dǎo)率信號(hào)傳送至中繼；噪聲發(fā)送端采用分貝儀檢測(cè)噪音發(fā)生器模塊——噪聲傳感器測(cè)試儀485工業(yè)級(jí)聲音傳感器，檢測(cè)水聲，并配合正點(diǎn)原子LORA模塊ATK-LORA-01無(wú)線(xiàn)串口通信模塊將噪聲信號(hào)傳送到中繼中繼由STM32F103C8T6開(kāi)發(fā)板、ATK-LORA-01無(wú)線(xiàn)串口通信模塊、杜邦線(xiàn)組成，用于接收終端LORA模塊傳送的信號(hào)，并將信號(hào)傳送到上位機(jī)LORA模塊。

上位機(jī)由PC機(jī)、ATK-LORA-01無(wú)線(xiàn)串口通信模塊、S T C 單片機(jī)自動(dòng)下載線(xiàn)器U S B 轉(zhuǎn)T T L 免手動(dòng)冷啟編程器STCISP、杜邦線(xiàn)組成。用于接收中繼發(fā)送的信號(hào)。上位機(jī)可配合ATK-LORA配置軟件 V1.2顯示接收到的數(shù)據(jù)，也可配合LabVIEW2018軟件對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，判斷并顯示是否出現(xiàn)電魚(yú)和炸魚(yú)行為，并顯示電導(dǎo)率波形和水聲波形。

2.3 非法捕魚(yú)偵察方案設(shè)計(jì)

非法捕魚(yú)現(xiàn)象近年來(lái)尤為猖獗，其主要方式可以概括為以下四種，在對(duì)各類(lèi)非法捕魚(yú)活動(dòng)帶來(lái)的行為信息、聲音信息、以及水質(zhì)環(huán)境的改變進(jìn)行分析后，我們分別針對(duì)不同類(lèi)型的非法捕魚(yú)設(shè)計(jì)了如下偵察方案：

2.3.1 撒網(wǎng)捕魚(yú)偵察。撒網(wǎng)時(shí)湖面會(huì)有較大波動(dòng)，同時(shí)收網(wǎng)時(shí)大量魚(yú)會(huì)拍打水面產(chǎn)生異常震動(dòng)，因此我們?cè)诜律~(yú)頭部安裝接收器，采用水聲換能器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并采集，以便進(jìn)行撒網(wǎng)捕魚(yú)行為的判斷。

2.3.2 毒魚(yú)偵察。目前使用的毒魚(yú)藥物大致可分為以下三類(lèi)，其檢測(cè)方式及原理如下：①魚(yú)藤酮?dú)⑾x(chóng)劑等降低水體溶氧量的藥物：該藥物可使一定范圍內(nèi)水體的溶氧量下降，造成魚(yú)類(lèi)因缺氧而出現(xiàn)大量浮頭現(xiàn)象甚至死亡，因此，我們采用OOS61熒光法溶解氧傳感器檢測(cè)水中溶解氧含量的變化情況，以檢測(cè)該藥物的投放。②氯氰菊酯殺蟲(chóng)劑等含氯藥物：不法分子人為地用含氯離子的藥品毒魚(yú)進(jìn)行非法捕魚(yú)，這種藥物中的Cl-可與Na+、Ca2+、Mg2+、K+等的離子形成氯化物，使得水質(zhì)環(huán)境中的氯化物含量增高。在此情況下，我們通過(guò)DAS2mACL氯離子傳感器，采用膜式安倍法，有效檢測(cè)毒魚(yú)行為的發(fā)生。③呋喃丹等有機(jī)農(nóng)藥：呋喃丹等有機(jī)農(nóng)藥能夠直接將魚(yú)類(lèi)和其他水生物毒死，它們的檢測(cè)主要依靠傳感器頭部的COD檢測(cè)設(shè)備配合線(xiàn)蟲(chóng)培養(yǎng)裝置實(shí)現(xiàn)。一方面依賴(lài)于紫外吸收法COD測(cè)定技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，這種方法在連續(xù)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域效果顯著，另一方面依據(jù)呼吸作用檢測(cè)培養(yǎng)裝置中的線(xiàn)蟲(chóng)活性，從而對(duì)農(nóng)藥成分進(jìn)行二次確認(rèn)，進(jìn)一步保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3.3 電魚(yú)偵察。目前升級(jí)版的電魚(yú)設(shè)備輸出電壓可達(dá)上千伏，而電流通入水體后，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，會(huì)造成一定水域面積內(nèi)氧氣耗盡，造成水體真空，導(dǎo)致魚(yú)蝦、藻類(lèi)、浮游生物等水生生物窒息死亡。

同時(shí)，電流通入水體也會(huì)導(dǎo)致水體電導(dǎo)率增加，為與化學(xué)藥物造成的含氧量下降的情景進(jìn)行區(qū)別，我們選擇AMT-W400多參數(shù)水質(zhì)傳感器（組裝溶解氧傳感器及電導(dǎo)率傳感器）,分別通過(guò)熒光法、石墨電極法檢測(cè)水中溶氧量及電導(dǎo)率，將兩者數(shù)據(jù)綜合分析，共同作為電魚(yú)的判斷標(biāo)準(zhǔn)[5]。

2.3.4 炸魚(yú)偵察。非法炸魚(yú)時(shí)水中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊波，仿生魚(yú)群如果在非法炸魚(yú)引發(fā)的爆炸影響范圍內(nèi)，可通過(guò)水聲換能器檢測(cè)巨大爆炸聲，同時(shí)配合微型壓力傳感器對(duì)水波壓力值進(jìn)行分析，從而排除噪聲干擾，以便準(zhǔn)確判定非法捕魚(yú)現(xiàn)象。

2.4 三段式追蹤設(shè)計(jì)

2.4.1 廣域探測(cè)階段。此階段終端節(jié)點(diǎn)間距離較遠(yuǎn)，能夠排除個(gè)體誤差，抗噪聲能力較強(qiáng)。我們的目的是用盡可能少的路徑覆蓋最大的面積，提高發(fā)現(xiàn)非法捕魚(yú)現(xiàn)象的概率。因此我們根據(jù)河流流域的特點(diǎn)，綜合Z字形遍歷探測(cè)和Spiral 遍歷探測(cè)。

2.4.2 領(lǐng)航者模式下的煙羽追蹤階段。仿生魚(yú)傳感器檢測(cè)到異常數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)歷史水流流向記錄，估計(jì)出該污染水流在到達(dá)仿生魚(yú)前可能會(huì)經(jīng)過(guò)的區(qū)域，非法捕魚(yú)源頭可能處于該路徑中任一位置。

根據(jù)當(dāng)前水流流向和污染路徑規(guī)劃一條搜索路徑，仿生魚(yú)群在領(lǐng)航者帶領(lǐng)下沿這條路徑進(jìn)行搜索，并且躲避障礙，以走向最可能發(fā)生非法捕魚(yú)的區(qū)域。

2.4.3 污染源定位階段。仿生魚(yú)群不斷靠近污染源時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)的靈活性要求越來(lái)越高，此時(shí)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)不再受到固定隊(duì)形/距離的束縛，充分發(fā)揮每個(gè)個(gè)體的溯源能力，以便更迅速、準(zhǔn)確的定位污染源位置[6]。

算法終止條件為：系統(tǒng)達(dá)到最大迭代次數(shù)或者魚(yú)群整體的位置和速度（最優(yōu)適應(yīng)值）達(dá)到穩(wěn)定，不再更新。 當(dāng)終止條件滿(mǎn)足，則停止迭代輸出結(jié)果，表示系統(tǒng)已完成非法捕魚(yú)追蹤，否則繼續(xù)運(yùn)行，直至滿(mǎn)足停止條件。

3 社會(huì)效益預(yù)測(cè)

3.1 開(kāi)拓水污染源頭追蹤在無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的新領(lǐng)域

本項(xiàng)目在無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)方面的技術(shù)創(chuàng)新不僅提高了水污染源頭追蹤的工作效率，還突破了在復(fù)雜環(huán)境下構(gòu)建廣域移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)壁壘，彰顯我國(guó)技術(shù)水平，提升我國(guó)在高科技領(lǐng)域的地位，提高該項(xiàng)目的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，成為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)建設(shè)中的重要推動(dòng)力[7]。

3.2 突破有關(guān)非法捕魚(yú)檢測(cè)的技術(shù)壁壘

本系統(tǒng)作為行業(yè)開(kāi)拓領(lǐng)先者，創(chuàng)新關(guān)于非法捕魚(yú)檢測(cè)功能的系統(tǒng)設(shè)備，突破以往單機(jī)巡航的技術(shù)壁壘，使得全水域面搜索得以實(shí)現(xiàn)；同時(shí)采用大規(guī)模組網(wǎng)多次突擊檢查，實(shí)現(xiàn)對(duì)非法捕魚(yú)行為的有效打擊。

3.3 順應(yīng)社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)方面意識(shí)加強(qiáng)的號(hào)召

隨著國(guó)家和社會(huì)對(duì)水產(chǎn)資源的重視程度的加深以及管理方面的加強(qiáng)，非法捕魚(yú)行為越來(lái)越引起社會(huì)關(guān)注，本項(xiàng)目為緩解非法捕魚(yú)現(xiàn)象提供了技術(shù)上的創(chuàng)新，符合國(guó)家戰(zhàn)略新興要求，在水產(chǎn)資源保護(hù)中有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.4 建設(shè)多領(lǐng)域發(fā)展的新型科研人才培養(yǎng)學(xué)科

本項(xiàng)目的實(shí)施，使得電子信息、計(jì)算機(jī)控制、水污染源頭探測(cè)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科達(dá)成了深度合作，從而產(chǎn)生綜合電子信息、計(jì)算機(jī)控制、水污染源頭探測(cè)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)處理研究為一體的新興交叉學(xué)科，也為此種培養(yǎng)全方位建設(shè)性人才提供了平臺(tái)和借鑒意義，可望進(jìn)一步提升我國(guó)的國(guó)際科研地位。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目結(jié)合當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的現(xiàn)實(shí)需求，面向非法捕魚(yú)行為以及由非法捕魚(yú)投放化學(xué)物質(zhì)或其他原因引起的突發(fā)性水污染問(wèn)題檢測(cè)，構(gòu)建了基于LoRa的非法捕魚(yú)偵察與追蹤系統(tǒng)，挑戰(zhàn)了由非法捕魚(yú)現(xiàn)象復(fù)雜性、隱蔽性以及偵察追蹤工作的廣域性、及時(shí)性等要求所造成的技術(shù)難題，提升了面向復(fù)雜需求的追蹤技術(shù)的及時(shí)化、精準(zhǔn)化。

同時(shí)，本系統(tǒng)作為一種物聯(lián)網(wǎng)偵察方案，有助于將非法捕魚(yú)偵察向?qū)崟r(shí)化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的新型監(jiān)控模式轉(zhuǎn)變，力求減少人力、物力投入，提高工作效率。在未來(lái)，本系統(tǒng)或?qū)?yīng)用于國(guó)家漁業(yè)部門(mén)和環(huán)境監(jiān)測(cè)公司，成為提升我國(guó)非法捕魚(yú)行為檢測(cè)的技術(shù)和工具，為水產(chǎn)資源保護(hù)增添一份保障的同時(shí)，也有望取得一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。