深水養殖水質數據采集監測系統

陳 亮，江 濤，閆秀英，徐 元，鄧 銳(.廣東海洋大學信息學院，廣東湛江505;.廣東醫學院附屬醫院，廣東湛江500;3.廣東海洋大學水產學院，廣東湛江505;.中國海洋大學網絡中心，山東青島66033)

深水海域遠離海岸且相對開放，水質較好，海水流動性好、自凈化能力也較強。國外以挪威為代表的深水網箱養殖取得了巨大成功，相比傳統網箱養殖，深水網箱養殖取得更顯著的經濟效益、生態效益。目前國家和各級政府投入了大量資金開展深水網箱養殖的引進、吸收、開發，先后在山東、浙江、廣東、海南等地取得了許多成功經驗，使深水網箱養殖技術成為海產品養殖發展的趨勢。全面發展深水網箱養殖，是轉變漁業經濟發展方式的重要途徑，是提升漁業產業核心競爭力的重要載體，是引領漁民增收致富的重要渠道，是優化海洋生態環境的重要舉措。雖然深水海域海水流動性比較好，但僅僅通過海水流動性無法改善深水養殖場區的水質［1］。為了探索深水網箱養殖對養殖海域環境的實際影響，為理論研究和科學養殖提供可靠、有效數據［2－3］，筆者介紹了一種基于北斗“短信息”服務的水質采集、監測方法，實時、動態采集水質數據。

1 系統構成

傳統的數據采集方式主要有2種:一是人工采集;二是基于無線通信網絡的方式采集。人工采集方式無法做到全天候、實時采集，而且人力成本也比較高;而無線方式采集又嚴重受制于移動網絡覆蓋范圍［4－5］。

針對北斗衛星導航系統覆蓋范圍也比較廣［6－8］，同時可以提供有效的報文服務，因此設計了一個基于北斗報文信息服務的實時深水養殖水質數據采集系統(圖1)。

將深水養殖區多參數水質傳感器采集到的海水pH、水溫、鹽度、溶解氧、氮、磷等水質數據，及時可靠地經由北斗衛星系統傳輸回數據處理中心，數據處理中心接收數據后，將接收后的數據信息解析后存入水質因子數據庫，并進行處理，如果發現超出閾值預警范圍或系統設置要求，再次將數據信息及預警信息通過移動通信網發送到相關管理人員的手機。相關管理人員根據當前水質情況，可以經由移動通信網絡或互聯網及時將相關指令傳回數據處理中心，如提高水質采集頻率、修改水質預警閾值范圍等，數據處理中心在接收用戶指令后，通過北斗導航系統，將相關指令送達深水養殖中心站，中心站立即執行相關指令修改或查詢。

圖1 系統整體設計框圖

1.1 北斗導航系統 北斗衛星導航系統是我國自行研制的全球衛星定位與通信系統(BDS)，是繼美全球定位系統(GPS)和俄GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統。系統由空間端、地面端和用戶端組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具有短報文通信能力［9］。

1.2 北斗“短信息”服務 北斗星通公司的北斗定位通信終端模塊指令根據不同的功能分為6類，分別為狀態類指令、定位類指令、通信類指令、查詢類指令、授時類指令和GPS類指令。通信內容以指令的方式表示，指令內容用ASCⅡ碼編碼，信息以字符串形式進行傳輸?；诖?，設計了一種北斗導航系統的北斗“短信息”服務，用于傳輸數據信息和指令信息。

1.3 采集系統 深水養殖中心環境采集系統如圖2所示。數據采集端的核心控制采用nRF24le1模塊，利用模塊上的集成單片機作為主控制芯片，模塊上的集成無線芯片進行短距離的無線數據傳輸，采用防水封裝的多參數水質傳感器進行水質參數數據采集。系統的供電主要采用大容量的鋰電池和太陽能電池進行供電。

中心站和各分站之間采用查詢響應模式，中心站為主模塊，各分站為從模塊，各從模塊響應主模塊指令操作。其中從模塊主要用于定時發送多參數水質傳感器采集到的水質數據和響應主模塊的各種指令請求，如查詢指令、設置指令等，主模塊將各從模塊采集到的水質數據按一定格式編碼并經由北斗導航衛星網絡發往地面數據處理中心。

圖2 環境采集系統

1.4 數據接收中心 數據中心對接收到的水質數據信息進行解析處理，存入水質因子數據庫，并實時形成各種水質數據曲線，當某項水質數據超過預設的閾值，數據中心系統將通過短信網關給相關管理人員發送預警信息。相關管理人員也可以根據需要使用自己的手機或互聯網查詢水質信息，或給數據處理中心系統發送相關指令信息，如提高采樣頻率、查詢當前監測數據等，數據處理中心接收到相關指令信息后，使用北斗發送陣列將相關指令實時反饋給水質環境采集子系統的中心站進行響應處理。

2 采集系統

2.1 北斗接口模塊 主控端與北斗定位通信模塊連接如圖3所示。BDG-MF-06型數據傳輸終端主要是針對遠程數據采集自動傳輸領域設計的一款北斗終端產品。它采用的是標準的RS232接口，參數如下:

①傳輸速率:119 200 bps。

②傳輸格式:1 bit開始位，8 bit數據位，1 bit停止位。

2.2 軟件處理流程 該系統由分站模塊和中心站模塊兩部分組成，2個模塊之間采用無線通信模塊進行組網通信。其中分站模塊，主要用于響應中心站指令請求，進行水質數據采集工作，同時將采集到的數據經由三無線通信模塊發送回中心站。中心站模塊工作流程如圖4所示。

圖3 北斗定位通信模塊連接示意

(1)中心站定時器計時到時，各分站下發定時采集指令，各分站實時采集水質數據，并將采集到的數據反饋給中心站，中心站選擇短信息或北斗將各分站采集的水質數據信息傳送到地面數據中心。

(2)中心站接收到地面數據中心實時采集指令后，給各分站下發實時采集指令，分站接收指令后，采集水質數據，并將采集到的數據反饋給中心站，中心站選擇短信息或北斗將各分站采集的水質數據信息傳送到地面數據中心。

(3)中心站接收到地面數據中心參數修改指令，及時修改采集計時數據或其他采集參數。

圖4 采集中心站工作流程

3 數據接收中心

數據接收中心分別處理深水網箱養殖海域的水質數據信息和用戶發送的管理指令信息，將采集到的水質數據經解析處理后，存入水質因子數據庫，以供分析預警;而用戶管理指令分為查詢指令和參數修改指令2種，其中查詢指令主要為要求環境采集系統實時響應采集、當前參數信息和系統運行狀態，參數修改指令主要為要求環境采集系統實時修改系統參數。其執行流程分別如圖5和圖6所示。

圖5 采集數據接收流程

圖6 用戶指令執行流程

圖7 試驗數據

圖8 溫度數據曲線示意

4 試驗結果

試驗地點位于東海島養殖基地，實驗時間為2個月以上，試驗主要進行北斗“短信息”數據誤碼率、失敗率、重傳率和水質數據示意。數據中心采集系統如圖7所示，試驗結果數據如圖8、9所示。

圖9 溶解氧、pH值數據曲線示意

整個試驗過程中，采集數據誤碼率約為0.09%，失敗重傳率約為0.23%。試驗結果顯示，該系統運行穩定，數據傳輸正常，通信可靠，設計方案可行。

5 討論

傳統的水質數據采集方式，受制于移動網絡覆蓋范圍，或受制于人力成本，無法實時采集。為此，該研究探討了利用北斗導航衛星的全方位覆蓋和“短信息”報文服務，提出建立一種可靠、快捷的水質數據采集方案，為探索深水網箱養殖投料、藥物等可能對環境的影響提供了有效的研究數據，為后續水質環境保護和預警奠定了基礎。

［1］張漢華，梁超愉，吳進鋒，等.大鵬灣深水網箱養殖區的污損生物研究［J］.中國水產科學，2003，10(5):414 －418.

［2］葉廷東，程韜波，周松斌，等.海洋水環境網絡化智能監測系統的建模設計研究［J］.計算機測量與控制，2014，22(6):1697 －1699.

［3］李金文，楊俊，柳曉砹，等.網箱養殖水質監測預警方案探討［J］.三峽環境與生態，2011，33(6):38

［4］谷春英，姚青山.基于無線傳感器的水質監測系統仿真設計［J］.計算機仿真，2013，30(1):340 －343.

［5］黃建清，王衛星，姜晟，等.基于無線傳感器網絡的水產養殖水質監測系統開發與試驗［J］.農業工程學報，2013，29(4):183 －190.

［6］成方林，張翼飛，劉佳佳.基于“北斗”衛星導航系統的長報文通信協議［J］.海洋技術，2008，27(1):26 －29.

［7］彭偉，徐俊臣，杜玉杰，等.基于北斗系統的海洋環境監測數據傳輸系統設計［J］.海洋技術，2009，28(3):13 －15.

［8］于龍洋，王鑫，李署堅.基于北斗短報文的定位數據壓縮和可靠傳輸［J］.電子技術應用，2012，38(11):108 －111.

［9］劉傳潤.北斗衛星導航定位系統的功能原理與前景展望［J］.中國水運，2008，8(1):165 －166.