一種應用于海洋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學的鮑魚養(yǎng)殖系統(tǒng)的設計

邢博聞，張夢佳，劉雨青

（上海海洋大學工程學院，上海市 201306）

鮑魚作為一種商品化高端水產(chǎn)品，目前常規(guī)的鮑魚養(yǎng)殖方法可分為工廠化養(yǎng)殖、挖渠養(yǎng)殖及海水養(yǎng)殖3種，其中海水養(yǎng)殖因其鋪設范圍廣、鮑魚成活率高等優(yōu)勢被廣泛應用在我國沿海水域。因其成長狀況受到海域氣象、水質(zhì)等因素的影響與制約，使得鮑魚養(yǎng)殖過程需要進行持續(xù)而有效的實時監(jiān)管，然而當前的相關(guān)檢測活動均是由專人定期駕船到指定區(qū)域進行水樣測試進行，其過程中需消耗大量的人力、物力成本，且效能較低，實時性與及時性均難以滿足優(yōu)質(zhì)鮑魚生產(chǎn)的需求。與此同時，鑒于鮑魚的經(jīng)濟價值與海水養(yǎng)殖裝置的離岸性，鮑魚被盜竊行為時有發(fā)生，對養(yǎng)殖戶造成了一定程度的經(jīng)濟損失。為此，如何設計實現(xiàn)一款能有效對鮑魚養(yǎng)殖環(huán)境進行有效監(jiān)測，并對海水養(yǎng)殖裝置提供有效安全防盜監(jiān)控的智能化遠程終端，成為新型、商品化鮑魚養(yǎng)殖過程中亟待解決的問題。

針對鮑魚養(yǎng)殖過程中實時養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測缺失、防盜措施匱乏等問題，提出了一種依托海水養(yǎng)殖浮力裝置的智能化遠程終端裝置，并根據(jù)構(gòu)成養(yǎng)殖網(wǎng)格的各終端裝置間的相互配合實現(xiàn)有效的人員監(jiān)測。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

新型鮑魚養(yǎng)殖系統(tǒng)對構(gòu)成傳統(tǒng)鮑魚海水養(yǎng)殖網(wǎng)格的浮力裝置進行電子信息化改造升級，實現(xiàn)對養(yǎng)殖區(qū)域的環(huán)境信息監(jiān)控及作業(yè)人員監(jiān)測；通過太陽能板對浮力裝置所搭載的電子設備進行供電；通過WIFI模塊實現(xiàn)一定海域內(nèi)所有浮力裝置的數(shù)據(jù)通信；通過激光雷達、熱紅外傳感器、紅外對管及攝像裝置實現(xiàn)對養(yǎng)殖網(wǎng)格上的作業(yè)人員檢測；通過4G網(wǎng)絡實現(xiàn)浮力裝置上搭載的各類傳感器信息的遠程傳輸；通過遠距離視頻傳輸模塊實現(xiàn)對浮力裝置上搭載的攝像裝置所采集到的圖像信息進行遠距離傳輸；通過搭載的聲光報警裝置對于非工作時間處在養(yǎng)殖網(wǎng)格上的人員進行報警，并通過4G網(wǎng)絡向遠程終端及基站發(fā)布報警信息，及拍攝到的人員影像。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 浮力裝置

具有水質(zhì)監(jiān)測及視頻監(jiān)控功能的鮑魚養(yǎng)殖用浮力裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中浮力裝置F1所示為主體，浮力裝置F2、F3及F4為常規(guī)的網(wǎng)格養(yǎng)殖浮力裝置，通過對多個常規(guī)網(wǎng)格養(yǎng)殖浮力裝置與多個裝置進行有效連接，即可構(gòu)成區(qū)域化的鮑魚海水養(yǎng)殖平臺（亦稱作魚排）。S1、S2、S3及S4組成水下傳感器組，其包含溫度傳感器、氨氮傳感器、鹽度傳感器及pH傳感器；S5為氣象信息采集模塊，用以探測鮑魚養(yǎng)殖環(huán)境的溫度、風速、風向信息。T1為WIFI模塊，用以連接區(qū)域內(nèi)所有WIFI模塊并進行有效的數(shù)據(jù)傳輸。T2為視頻傳輸模塊，用以傳輸攝像裝置采集到的影像信息。T3為4G模塊用以周期性的傳輸各傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，并傳輸非作業(yè)時間位于養(yǎng)殖平臺上的異常人員。T4是北斗模塊，用以確定當前養(yǎng)殖平臺的位置信息，并在4G模塊信號接收故障情況下，向遠程終端發(fā)布各傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，及異常人員報警信息。P1、P2為太陽能板，用以為浮力裝置上的電子設備進行有效供電。需要說明的是，通過有效計算評估裝置能耗。I1、I2為兩組紅外對管。單一浮力裝置上的紅外對管共有4組，以夾角分列在同一水平面內(nèi)，當有人員途徑紅外發(fā)射線路時，信號被反射入接收端，進而實現(xiàn)人員感知。S6為熱紅外傳感器，用以感知一定范圍內(nèi)的人員活動情況。C2為聲光報警裝置，當系統(tǒng)在非授權(quán)時段檢測到海水養(yǎng)殖平臺存在作業(yè)人員時，發(fā)布警告。C1為內(nèi)置有水平轉(zhuǎn)動云臺的攝像裝置，用以拍攝影像資料。L1為激光雷達模塊，用以探測平面內(nèi)的空間信息，亦可實現(xiàn)對一定范圍內(nèi)人員走動的判定。

圖1 具有水質(zhì)監(jiān)測及視頻監(jiān)控功能的鮑魚養(yǎng)殖用浮力裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.2 工作結(jié)構(gòu)

鮑魚養(yǎng)殖用浮力裝置所組成的平臺系統(tǒng)的工作結(jié)構(gòu)如圖2所示，需要說明的是針對鮑魚養(yǎng)殖平臺的不同位置及其功能需求，裝置上搭載的傳感器、數(shù)據(jù)傳輸模塊及太陽能板等在實際搭載過程中存在一定的刪減。各種電氣組建均搭載在裝置的邊側(cè)，不會影響到作業(yè)人員的鮑魚養(yǎng)殖及正常行走。其中B1、B2、B3為鮑魚養(yǎng)殖網(wǎng)箱，各浮力裝置組成網(wǎng)格，并最終構(gòu)成養(yǎng)殖平臺。圖2中浮力裝置Pn1、Pn2、Pn3、Pn4及Pn5為具有水質(zhì)監(jiān)測及視頻監(jiān)控功能的鮑魚養(yǎng)殖用浮力裝置，其因位置不同組件有所刪減，需要說明的是對于編號為PnX（X為裝置ID）的浮力裝置，其拍攝云臺旋轉(zhuǎn)角度表示為gX、拍攝延伸拓展平面表示為aX、熱成像傳感器探測平面表示為bX、激光雷達探測平面表示為dX;對于紅外對管IXn(X為裝置ID,n為紅外對管ID)，其信號發(fā)射路徑用LSXn表示，接收信號路徑用LDXn表示。

Pn1搭載有①WIFI模塊T13，②聲光報警裝置C12，③攝像裝置C11，④熱紅外傳感器S16，其熱成像探測平面用b1表示；

Pn2搭載有①水下傳感器組包含溫度傳感器（S21）、氨氮傳感器（S22）、鹽度傳感器（S23）及 PH傳感器S24，②WIFI模塊T23，③聲光報警裝置C22，④攝像裝置C21，⑤熱紅外傳感器S26；

Pn3搭載有①WIFI模塊T33，②聲光報警裝置C32，③熱紅外傳感器S36，④攝像裝置C31，⑤紅外對管I31，⑥紅外對管I32、I31；

Pn4搭載有①水下傳感器組包含溫度傳感器（S41）、氨氮傳感器（S42）、鹽度傳感器（S43）及 PH傳感器 S44，②WIFI模塊 T43，③激光雷達（L41）。

設備擁有四種同時運行的防盜檢測方案，即紅外對管、熱紅外及激光雷達檢測及基于攝像影像分析的移動對象（人員）圖像識別。通過合理搭載、選取上述電子設備，當有人員（或禽類）到達養(yǎng)殖平臺（簡化為垂面fm）時，若fm與bX或dX相切，則與之對應的熱紅外傳感器或激光雷達即可探測該對象；若fm位于紅外對管IXn的探測范圍內(nèi)，發(fā)送信號LSXn被反射生成信號LDXn，并被紅外對管接收端接收，從而完成對對象的探測；若fm處于攝像裝置拍攝拓展平面aX內(nèi)，通過模式識別策略，該對象亦可被有效識別。

對于平臺內(nèi)各WIFI模塊，系統(tǒng)將進行有效組網(wǎng)，并將處所搭載傳感器的數(shù)據(jù)信息匯總至載有4G模塊的浮力裝置上，并進行統(tǒng)一存儲與遠程傳輸，當4G網(wǎng)絡信號缺失時，上述信息將傳輸至載有北斗數(shù)據(jù)傳輸模塊的浮力裝置上；對于平臺內(nèi)各攝像裝置所采集到的視頻圖像信息，系統(tǒng)將通過WIFI網(wǎng)絡將其數(shù)據(jù)流傳輸至搭載有視頻傳輸模塊的浮力裝置上。

設備中設置遠程數(shù)據(jù)傳輸功能模塊（視頻傳輸模塊、4G模塊及北斗模塊）的浮力裝置被標注為浮力裝置浮力裝置主體，不具備的被標注為浮力裝置浮力裝置從體。以圖2為例，Pn0為浮力裝置浮力裝置主體，Pn1、Pn2、Pn3及Pn4均為浮力裝置浮力裝置從體。

圖2 鮑魚養(yǎng)殖用浮力裝置所組系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

該文涉及的有水質(zhì)監(jiān)測及視頻監(jiān)控功能的鮑魚養(yǎng)殖用浮力裝置，這種方式可以減少人力資源的損耗，同時實現(xiàn)了智能化養(yǎng)殖，采用太陽能供電模式更好的做到了節(jié)能減排。通過養(yǎng)殖裝置上安裝的智能化設備，實現(xiàn)對養(yǎng)殖現(xiàn)場的實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)問題及時報警，控制中心可以及時發(fā)現(xiàn)問題并做好相應處理措施。相對于傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式，此種養(yǎng)殖方式可以在較少勞動力的情況下實現(xiàn)最優(yōu)智能控制。