海洋牧場環境要素自動采集系統的設計

張小波, 姜靜波, 張立斌, 陳永華

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海洋牧場環境要素自動采集系統的設計

張小波1, 姜靜波2, 張立斌2, 陳永華2

(1. 國家海洋局北海海洋技術保障中心, 山東青島 266033; 2. 中國科學院海洋研究所, 山東青島 266071)

設計了一種適用于海洋牧場環境要素的自動采集方法, 可同步觀測牧場海域氣象數據與水質數據, 并實現各類數據的分類與存儲。結果表明, 獲取數據數值符合海洋牧場水質要素時間序列的變化規律, 能為海洋牧場防災減災預警提供有效的數據支持。

海洋牧場; 環境要素; 自動采集

目前, 國內的海洋牧場正處于蓬勃發展階段, 各沿海省市建立了多個海洋牧場, 其中大部分牧場環境要素的監測還依靠傳統的人工攜帶儀器乘船出海的調查方式來實現, 在數據獲取效率及時間連續性方面存在明顯不足[1-3]。本文立足于中國近海海洋牧場的環境要素綜合觀測需求, 提出了一種基于固定平臺的海面氣象與海水水質的綜合自動觀測方法, 為海洋牧場綜合環境要素提供了可靠的監測手段。

1 方案設計

系統利用海上固定平臺, 采用無人值守工作模式, 通過無線傳輸技術, 實現海洋牧場水面風、溫、濕、壓要素和海水溫鹽、濁度、溶解氧、葉綠素、pH值要素的遠程無線傳輸, 岸站主機每10 min接收氣象水質數據一次, 完成海洋牧場環境要素的自動采集。系統的組成與布局如圖1所示。

海洋牧場環境要素自動采集系統主要有海面氣象傳感器、水質傳感器、數據采集控制系統、供電系統、數據傳輸系統構成。

氣象站選取美國R.M.YOUNG公司的風速風向傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器和降雨量傳感器作為基本觀測設備; 水質傳感器選取美國YSI-EXO2綜合水質儀, 可以同步采集水溫、鹽度、電導、密度、濁度、溶解氧、葉綠素和pH值等海洋牧場海域的水質要素; 數據采集系統由CR1000數據采集器和控制電路組成, 控制電路的繼電器控制各傳感器的上電與斷電, CR1000順序向各設備發送工作指令, 完成數據的采集; 供電系統由太陽能電池板、太陽能蓄電池組成, 二者通過太陽能控制器連接; 數據傳輸系統同步集成GPS、數據傳輸模塊(date transfer unit, 簡稱DTU)等, 通過CDMA通信方式, 定時將采集到的環境數據實時傳送至岸站。整套系統的電器框圖如圖2所示。

數據采集系統的主要工作流程功能如下: (1)數據采集系統接外部電源并同步給各氣象設備和水質儀供電; (2)按固定采樣間隔向各氣象傳感器和水質儀發送指令, 獲取其數據, 疊加存儲到采集系統的存儲卡中; (3)通過指令將最近收到的一組完整數據發送到DTU中, 繼而通過CDMA等無線傳輸網絡傳送到岸站終端; (4)岸站數據接收程序會將傳回的數據解析后, 存入數據庫并在計算機上呈現界面化顯示。

2 系統設計

海洋牧場環境要素自動采集系統選取在牧場中的固定平臺上布放, 考慮到工作環境惡劣并且能源緊缺, 設計時充分考慮了系統整體的低功耗特性。選取的氣象傳感器和水質傳感器均采用電壓輸出信號模式, 降低其功耗, 眾多設備中只有DTU在數據發射過程中較為耗電[4-6], 故選擇通過受控開關控制DTU的通斷電。系統中設置采樣間隔為10 min, DTU向岸站發送的數據內容包括10 min內的平均風速、平均風向、最大風速、最大風速出現時間、最大風速對應風向、內平均溫濕度、最大溫濕度、最小溫濕度、平均氣壓、最大氣壓、最小氣壓、降雨量等。為合理設計系統的電源, 將每臺設備的功耗參數作如下統計, 如表1所示。

通過表1可以看出, 整個系統所集成的觀測設備每日功耗為73.344 Wh。根據海上實際情況, 設計采用選擇4塊并聯的12 V輸出電壓 200 Ah容量的太陽能膠體蓄電池, 通過充電控制器連接4塊70 W的多晶硅太陽能電池板, 組成整個系統的供電單元。根據此種搭配方式, 即使無太陽能補充, 系統也可在蓄電池單獨放電的情況下持續運行工作4個月。

岸站端為數據接收和顯示終端, 主要實現對海洋牧場資源環境要素的實時監測、數據更新、歷史數據查閱、歷史趨勢圖繪制、自動預警等功能。選擇Visual Studio C#開發工具編寫數據庫前端人機交互界面軟件, 后端數據庫工具選擇SQLServer2010, 可實現氣象、水質數據的海量存儲。

表1 各用電設備功耗參數

在采集數據的過程中, 數據由CDMA網絡傳回到岸站主機端口, 完成解析入庫, 并同步在主界面顯示, 每10 min更新一次數據。數據庫主要建立3個數據表, 一個為主表, 記錄每組數據的編號和采集時間, 另兩個主要的數據表分別記錄海面氣象數據和綜合水質數據, 其具體數據描述如表2、表3所示。

表2 海洋牧場氣象參數數據結構

通過儀表化的數據接收終端界面, 實時監測海洋牧場海面的風速風向、溫度、濕度、氣壓和降雨等多個氣象要素, 以及海水中水溫、鹽度、電導率、pH、溶解氧、葉綠素等水質信息, 方便工作人員及時掌握海洋牧場綜合環境資料(圖3、圖4)。

3 應用

海洋牧場環境要素自動采集系統于2016年7月成功布放于唐山祥云灣海洋牧場, 該海域曾是渤海漁場生物重要繁育場之一, 隨著越來越多工業項目落戶環渤海地區, 水質環境曾經惡化, 近年來隨著國家對海洋牧場建設的扶持和企業的投入, 其水質環境自2008年起正在逐步改善。該系統集成美國YSI-EXO2多參數水質儀和R.M.YOUNG專業自動氣象站, 結合CDMA無線傳輸技術, 實現了海洋牧場的水質和氣象參數的同步在線監測, 解決了目前海洋牧場環境要素實時數據長時間連續獲取的技術難點。系統在海洋牧場實際生產和管理工作中的成功應用, 為牧場環境數據資料的積累提供了平臺, 為工作人員的日常撒苗、捕撈作業提供了環境數據分析和安全預警, 對于控制海洋牧場自然災害風險, 提高生產效益, 有實際的意義。

表3 海洋牧場水質參數數據結構

[1] 楊紅生. 我國海洋牧場建設回顧與展望[J]. 水產學報, 2016, 40(7): 1133-1140. Yang Hongsheng. Construction of marine ranching in China: reviews and prospects[J]. Journal of Fisheries of China, 2016, 40(7): 1133-1140.

[2] 趙嘉, 李嘉曉. “藍色糧倉”的內涵闡析及其建設設想——以青島市為例[J]. 海洋科學, 2012, 36(8): 70-74. Zhao Jia, Li Jiaxiao. Elaborations on the concept of “blue granary” and its construction envision——with Qingdao as an example[J]. Marine Sciences, 2012, 36(8): 70-74.

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[4] 姜靜波, 李安春. 東海陸架水文濁度要素自動采集系統設計[J]. 海洋科學, 2016, 40(8): 91-93. Jiang Jingbo, Li Anchun. Design for automatic collection of hydrology and turbidity samples on the East China Sea Shelf[J]. Marine Sicences, 2016, 40(8): 91-93.

[5] 武立波, 劉運勝, 劉學喆, 等. 海洋牧場遠程監控投餌系統設計[J]. 漁業現代化, 2010, 37(2): 23-25. Wu Libo, Liu Yunsheng, Liu Xuezhe, et al. Design of feeding system with remote monitoring in marine ranching[J]. Fishery Modernization, 2010, 37(2): 23-25.

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Automatic acquisition design for environmental factors of marine ranching

ZHANG Xiao-bo1, JIANG Jing-bo2, ZHANG Li-bin2, CHEN Yong-hua2

(1. North China Sea Marine Technical Support Center of State Oceanic Administration, Qingdao 266033, China; 2. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

A method for the automatic acquisition system for environmental factors of marine ranching is proposed in this paper. Meteorological data and water quality data of the sea area can be observed in real-time. The data obtained are consistent with the seasonal variation of water quality factors, and the method can provide effective data support for disaster prevention and mitigation of marine ranching.

marine ranching; environmental factors; data acquisition

(本文編輯: 劉珊珊)

May 30, 2017

[Foundation of the Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, the Chinese Academy of Sciences, No. KLMEES201305; Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No. DXA11020703]

TP212.9

A

1000-3096(2017)06-0061-04

10.11759/hykx20170503001

2017-05-03;

2017-05-11

中國科學院海洋生態與環境科學重點實驗室開放基金(KLMEES201305); 中國科學院戰略性先導科技專項(A類)(DXA11020703)

張小波 (1979-), 男, 山東濱州人, 工程師, 主要從事海洋調查技術的研究, 電話: 0532-85761233, E-mail: zxb660@163.com; 姜靜波(1979-), 通信作者, 男, 山東青島人, 副研究員, 主要從事海洋環境監測儀器的研究, 電話: 0532-82898736, E-mail: jiangjingbo@qdio.ac.cn