曾兆銘，王啟銘，吳 勝，王良成

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572000）

中國是海洋漁業(yè)大國，海岸線綿長，廣闊的海洋面積使我國擁有廣袤的近海大陸架、復(fù)雜的洋流系統(tǒng)和多種多樣的島礁分布，因此在漁業(yè)方面無論是種類還是數(shù)量都很豐富[1]。然而，多年的過度捕撈、生產(chǎn)生活廢棄物所造成的污染海洋事件的影響，使得我國海洋漁業(yè)資源正在逐步枯竭，這也將導(dǎo)致我國海洋生態(tài)系統(tǒng)失衡，給世界漁業(yè)造成嚴(yán)重影響[2]。海洋生態(tài)牧場作為各國由傳統(tǒng)海洋捕撈漁業(yè)轉(zhuǎn)型為海洋生態(tài)養(yǎng)殖捕撈作業(yè)的新動力，同時作為海洋資源開發(fā)利用的新模式和新手段，能夠很好地保護(hù)海洋漁業(yè)資源平衡，保護(hù)海洋生態(tài)多樣性，實現(xiàn)海洋生態(tài)與經(jīng)濟(jì)利益的協(xié)調(diào)發(fā)展，具有很好的經(jīng)濟(jì)收益性和社會價值，加快綠色生態(tài)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

我國針對海洋生態(tài)牧場的研究開始于1965年，1979年前后開始建設(shè)。2017年4月26日，農(nóng)業(yè)部發(fā)文《農(nóng)業(yè)部關(guān)于實施農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展五大行動的通知》中明確提出我國要“推進(jìn)海洋牧場建設(shè)，推動水產(chǎn)養(yǎng)殖減量增效”，這也是國內(nèi)第一次把海洋生態(tài)牧場建設(shè)發(fā)展提高到了國家海洋漁業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要位置[3]。2017年10月農(nóng)業(yè)農(nóng)村部又印發(fā)《國家級海洋牧場示范區(qū)建設(shè)規(guī)劃（2017-2025年）》的文件，明確提出計劃到2025年以前在國內(nèi)將建設(shè)178個（2019年提出建200個）國家級海洋生態(tài)牧場示范區(qū)。2020年12月29日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布第377號公告，公布了第六批國家級海洋牧場示范區(qū)名單，至此全國的國家級海洋牧場示范區(qū)已達(dá)到136個[4]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

針對反應(yīng)海洋生態(tài)牧場水質(zhì)的主要指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測，如反映透光情況的渾濁度、反映pH值的酸堿度、反映氧氣多少的氧氣含量和海洋生態(tài)牧場內(nèi)的海水溫度電導(dǎo)率等。對超出設(shè)定限值的數(shù)據(jù)及時報警，為牧場管理者和環(huán)境監(jiān)管單位提供事件處理依據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計采用通用平臺，實現(xiàn)各類水質(zhì)參數(shù)的實時處理，對于不同類型的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，只要通過更換不同傳感器、簡單修改程序即可實現(xiàn)，以降低開發(fā)成本和用戶使用成本。本次設(shè)計以能夠反映海洋牧場水質(zhì)參數(shù)中重要的pH值、濁度、氧含量和電導(dǎo)率四個重要指標(biāo)為目的，同時系統(tǒng)具有較強(qiáng)擴(kuò)展性。這四項指標(biāo)對海洋牧場內(nèi)漁業(yè)資源的生活和水產(chǎn)產(chǎn)量有較大影響，指標(biāo)的嚴(yán)重偏離會影響海洋生物的多樣性[5]。

1.1 系統(tǒng)通信方式選擇

海洋生態(tài)牧場建設(shè)地點往往較偏僻、距離海岸線有一定的距離，布局具有成片、成群的特點，因此通信方式的選擇對系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和系統(tǒng)可靠性具有較大影響。有線通信方式施工和維護(hù)成本較高，不適合海洋生態(tài)牧場環(huán)境使用，因此選擇無線的通信方式。無線通信方式經(jīng)過近幾十年的發(fā)展已趨于成熟，常用的無線通信方式有Wi-Fi技術(shù)、IrDAJ技術(shù)和Zigbee技術(shù)等，近距離通信的NFC，GPS，DECT等等[6]，海洋生態(tài)牧場所需的無線傳輸技術(shù)應(yīng)該具有系統(tǒng)工作穩(wěn)定、功耗低、傳輸距離長和投資低等特點，通過對比發(fā)現(xiàn)Zigbee技術(shù)能夠滿足上述特點，并且適應(yīng)室外中長距離傳輸，整體功耗較低。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)選擇

海洋牧場水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用三層架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)架構(gòu)清晰、功能明確，工作穩(wěn)定可靠。從下往上依次為水質(zhì)信息采集層、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層和數(shù)據(jù)處理中心層，各層各司其職，協(xié)調(diào)工作。

處于系統(tǒng)架構(gòu)底層的水質(zhì)信息采集層是系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，所有海洋生態(tài)牧場水質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)都通過該層的傳感器上傳到節(jié)點處理器，是面向?qū)ο蟮奈锢韺?。該層級的主要任?wù)是將傳感器采集到的各水質(zhì)參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號，通過處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，本地數(shù)據(jù)存儲以防數(shù)據(jù)丟失，同時完成數(shù)據(jù)的上傳任務(wù)，將采集到的實時數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層，通過數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層將數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)處理中心層。因此，該節(jié)點層設(shè)計有數(shù)據(jù)采集電路模塊、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換電路模塊、數(shù)據(jù)存儲功能模塊以及數(shù)據(jù)的無線發(fā)送與指令接收電路模塊?？紤]到該系統(tǒng)應(yīng)用場景的特殊性，系統(tǒng)工作于野外環(huán)境，為降低系統(tǒng)維護(hù)工作量，水質(zhì)信息采集層的節(jié)點采用太陽能板供電。

處于系統(tǒng)架構(gòu)中間層的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳下達(dá)層，使系統(tǒng)具有較遠(yuǎn)的傳輸距離，實現(xiàn)布點數(shù)的最少量，以節(jié)約成本。該層除數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)外還具有控制指令傳達(dá)功能，將數(shù)據(jù)處理中心的控制指令傳遞給水質(zhì)信息采集層，為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)的大部分實踐是處于休眠狀態(tài)的，為了能夠及時喚醒，采用時間同步算法。

處于系統(tǒng)架構(gòu)頂端的是數(shù)據(jù)處理中心層，該層是系統(tǒng)控制核心，掌管系統(tǒng)的指令發(fā)布、數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)布等功能，該層采用人性化的人機(jī)交互界面實時處理底層上傳的數(shù)據(jù)[7]。

該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)合理、數(shù)據(jù)收發(fā)準(zhǔn)確、水質(zhì)信息處理量大等特點，適合做海洋生態(tài)牧場水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)實物如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)實物圖

2 硬件電路設(shè)計

在硬件電路設(shè)計方面系統(tǒng)要求具有高可靠性、通用性以及互換性好等特點，因此模塊的設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換接口、通用設(shè)計，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障或者因功能需要增減傳感器時，能夠輕易更換，這為系統(tǒng)的二次開發(fā)和系統(tǒng)移植打下良好基礎(chǔ)。

2.1 水質(zhì)信息采集模塊設(shè)計

海洋牧場水質(zhì)參數(shù)信息通過各種數(shù)據(jù)傳感器采集來的數(shù)據(jù)，發(fā)送給STM32單片機(jī)核心板，通過軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成本地存儲和上傳工作。該模塊由傳感器（溶解氧傳感器、酸堿度傳感器、水溫傳感器、電導(dǎo)率傳感器）、數(shù)據(jù)變送電路、單片機(jī)、無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路、電源電路和外圍電路組成，水質(zhì)信息采集模塊電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。傳感器采用工業(yè)級傳感器，性能可靠、精度高，輸出信號采用0-5 V線性輸出電壓接口。數(shù)據(jù)變送電路完成傳感器水質(zhì)電壓信號的放大、濾波整形和轉(zhuǎn)換功能，將處理好的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行計算分析。單片機(jī)采用STM32單片機(jī)作為處理單元，結(jié)合外圍電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和存儲。無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路將傳感器采集的信號經(jīng)單片機(jī)處理后，以無線的方式發(fā)送到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點，同時接受數(shù)據(jù)中心節(jié)點發(fā)送的休眠和喚醒指令。

圖2 水質(zhì)信息采集模塊電路的結(jié)構(gòu)框圖

2.2 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點在系統(tǒng)中處于中間級，實現(xiàn)海洋牧場水質(zhì)參數(shù)的上傳下達(dá)、延長系統(tǒng)通信距離和水質(zhì)數(shù)據(jù)的暫時存儲功能。該模塊處于數(shù)據(jù)中心節(jié)點和水質(zhì)信息采集節(jié)點的中間層，當(dāng)水質(zhì)信息采集節(jié)點距離數(shù)據(jù)中心節(jié)點距離較遠(yuǎn)且二者不能直接通信時，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點將建立起兩者之間的無線連接，將水質(zhì)信息采集節(jié)點采集處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)中心節(jié)點。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點無法與數(shù)據(jù)中心節(jié)點通信的情況時，該節(jié)點還能夠?qū)⑹占降乃|(zhì)參數(shù)信息暫存于此，待通信恢復(fù)后再轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點還有一個非常重要的路由任務(wù)，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點會根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度與水質(zhì)信息采集節(jié)點距離和數(shù)據(jù)中心節(jié)點的距離，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑，實現(xiàn)最短距離、最少延時的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點模塊結(jié)構(gòu)框圖

2.3 數(shù)據(jù)中心節(jié)點模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)中心節(jié)點模塊由STM32單片機(jī)開發(fā)板、電源模塊、觸摸屏模塊、存儲器模塊、CC2530無線收發(fā)模塊和外圍電路模塊組成。數(shù)據(jù)中心節(jié)點是系統(tǒng)的心臟，具有領(lǐng)導(dǎo)地位，主要負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)路搭建、路由設(shè)計、節(jié)點協(xié)調(diào)工作、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互等功能。通過數(shù)據(jù)中心節(jié)點的監(jiān)控中心服務(wù)器設(shè)置各水質(zhì)參數(shù)的上限值，當(dāng)實際數(shù)據(jù)超過該值時系統(tǒng)發(fā)出報警信號，提示參數(shù)超標(biāo)，為海洋生態(tài)牧場管理者和海洋環(huán)境執(zhí)法部門提供處理依據(jù)。服務(wù)器配有云端接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步云存儲。數(shù)據(jù)中心節(jié)點模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)中心節(jié)點模塊結(jié)構(gòu)框圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)是海洋生態(tài)牧場水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的靈魂，具有支撐系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)工作的功能，軟件系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該充分考慮到系統(tǒng)的兼容性、可操作性和人機(jī)交互的簡潔性。海洋生態(tài)牧場水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計包含兩個部分，上位機(jī)軟件和節(jié)點軟件。上位機(jī)軟件為監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)，包含水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)分析處理子程序、系統(tǒng)數(shù)據(jù)與云端存儲子程序、人機(jī)交互子程序，用于實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的維護(hù)、水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的分析處理、各種統(tǒng)計報表的生產(chǎn)與打印、數(shù)據(jù)云端存儲與實時查詢服務(wù)等。節(jié)點軟件系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點和水質(zhì)信息采集節(jié)點的程序設(shè)計，水質(zhì)信息采集節(jié)點的程序用于支撐該節(jié)點數(shù)據(jù)參數(shù)的處理、轉(zhuǎn)發(fā)與存儲功能，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點程序用于處理數(shù)據(jù)上傳下達(dá)過程中的數(shù)據(jù)處理和本地存儲。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)束語

系統(tǒng)建成后在我校水域進(jìn)行了系統(tǒng)功能驗證和主要參數(shù)測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)組網(wǎng)功能正常，數(shù)據(jù)收發(fā)功能正常，能夠?qū)崿F(xiàn)海洋生態(tài)牧場水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)功能要求。經(jīng)過對節(jié)點數(shù)據(jù)收發(fā)丟包率測試和系統(tǒng)掉電重新組網(wǎng)等功能測試，結(jié)果表明各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求。