基于物聯網的電捕漁船實時偵測系統研究

龐新苗，廖平

（1.湖南國防工業職業技術學院，湖南 湘潭 411207；2.中南大學機電工程學院，湖南 長沙 410083）

0 引言

江河魚類資源的保護越來越迫切，我國《中華人民共和國漁業法實施細則》明確禁止對魚類濫捕濫殺的行為，然而仍然存在非法捕魚現象，其中高壓電捕漁是一種毀滅性的、極具危險性的捕魚方法，對魚、對人、對環境都有著巨大的危害，主要表現為：（1）電極所到之處，不論大魚還是小魚全部被電死，從而造成漁業資源的進一步嚴重破壞[1]。（2）電擊魚還會對魚類的食物，一些河流中棲息的無脊椎動物造成嚴重傷害，使魚的生物餌料減少，間接影響漁業資源的恢復[2-3]。（3）電魚器電死大量的魚及其他生物，只有很少數被電魚人帶走，逐漸腐敗變質，影響河流水質。當前對高壓電船非法捕魚的監控主要是用執法船巡邏的方式進行監控，但電船出現的時間和地點很有隨機性。所以，研究開發出一種能及時動態對電船進行監控的無線傳感器網絡，并對其非法活動進行控制，已經是非常緊迫！

1 電捕漁船捕魚信號在水中傳播機理及偵測器設計

1.1 電捕漁船捕魚信號在水中傳播機理

電捕漁船的核心裝置就是電魚機，其原理就是將低電壓大電流的電源變換成高電壓，通過在水中電極瞬間脈沖放電。這種電魚機發出的脈沖頻率通常在50～500KHz，電壓幅值高達幾千伏特，所產生的電場使得周圍幾米水域內的魚類被擊暈。水中的電場E與與高壓脈沖源幅值U和距離S的關系是[4-5]：

式中：k為水的電導率、溫度等環境系數

1.2 電捕漁船捕魚信號的捕獲

球形電場測量探頭是捕獲脈沖電場信號的較為理想的傳感器，球形電場探頭由空心球體和測量電容C組成，其結構如圖1所示[6]。

圖1 球形電場探頭結構示意圖

兩半球型金屬電極之間通過測量電容器C連接，處于電場強度E的電場中的兩半球型金屬電極上出現感應電荷，測量電容上將產生電壓U，該測量電壓為：

R為球形傳感器上的小球的半徑，ε為介電常數。

1.3 電捕漁船捕魚信號偵測器設計

為了能對電捕漁船實時監測，需設計電捕魚信號偵測器，將非法捕魚信息通過GPRS網絡遠程傳輸到監測中心和執法的漁政人員手機上。為了實現這一功能，偵測器的硬件結構如圖2所示[7-8]。

圖2 偵測器的硬件結構

由于電魚機發出脈沖的位置距離岸邊水域球形電場測量探頭的距離較遠，球形電場測量探頭感應的電場比較弱，并且會夾雜干擾信號，必須要進行信號放大和濾波處理，如圖3所示[9]。

圖3 感應信號放大和濾波處理電路

GPRS通信模塊采用標準RS232串口，串口速率110～230400BPS，實現與專用GPRS Modem模塊數據通信[10]。

STM 32單片機是整個偵測器的控制核心，內部集成了12位的A/D轉換模塊，球形電場測量探頭的信號放大和濾波處理輸出信號Vout可直接輸入到STM 32單片機的A/D轉換引腳。同時，內置的串口模塊直接與GPRS通信模塊RS232串口進行連接。偵測器有兩個按鍵，用于啟動和停止偵測器工作。信號顯示采用串口顯示屏，將采集信號變成圖形，供工作人員進行信號分析。STM 32單片機的主電路模塊如圖4所示，其PCB設計如圖5[11-12]。

圖4 STM32單片機的主電路模塊

圖5 STM32單片機電路板設計圖

2 基于GPRS網的電捕漁船動態信息偵測系統設計

為了能夠實時監測電捕漁船的非法捕魚行為，應用GPRS網技術選擇合適的網絡測點分布，從而實現對區域電捕漁船的追蹤，有效打擊非法電船捕魚，保護水資源和生態環境。為此，本文設計了基于GPRS網的電捕漁船實時偵測系統，如圖6所示。

圖6 基于GPRS網的電捕漁船實時偵測系統結構

GPRS Modem，它是一種實現GPRS（分組交換）通信的調制解調的設備，是一種物聯網傳輸終端，主要是通過GPRS網絡實現對偵測器采集到的信息遠程傳送到監測中心，監測中心對各偵測點傳來的數據進行綜合分析，當發現非法電捕魚船時，及時發送非法捕魚船的位置信息到執法的漁政人員手機上，引導執法人員快速到達執法現場[13]。

3 現場測試實驗

本文在某一河段進行了現場測試，在該河段沿岸水域每隔100米布置1個偵測器，用一條電捕漁船進行模擬電捕魚。如圖7所示。

圖7 某河段現場測試布置圖

測試電船距離第i個偵測器小于50米時，則該偵測器能夠捕獲到電捕魚的周期性脈沖信號，實驗證明每個偵測器都能正常捕獲模擬電船的脈沖信號，如圖8所示[14-15]。

圖8 偵測器能夠捕獲到電捕魚的周期性脈沖信號

當電船經過某一偵測器時，偵測器感知脈沖信號并將報警信號通過GPRS通信網絡實時傳輸到檢測中心和執法手機上，如圖9所示。實驗效果驗證了該系統的可行性和有效性[16]。

圖9 執法手機獲取報警信息

4 結語

基于GPRS網技術，構建了電捕漁船動態信息偵測系統。通過在沿岸水域布置電場強度偵測器和GPRS無線網絡傳輸系統，進行全天侯監控電捕漁船的行為監測，能有效的遏制此類非法捕魚行為和保護環境。此模型能有效節約人力資源，具有推廣應用價值。