海洋生態池塘在線監測系統的設計與實現

曾銀東，陳 棟，陳 鵬，李 琳，張菀倫

(1.福建省海洋預報臺，福建 福州 350003；2.中國海洋大學海洋與大氣學院，山東 青島 266100)

海洋生態池塘在線監測系統的設計與實現

曾銀東1，2，陳 棟2，陳 鵬2，李 琳2，張菀倫2

(1.福建省海洋預報臺，福建 福州 350003；2.中國海洋大學海洋與大氣學院，山東 青島 266100)

針對目前我國池塘監測系統在穩定可靠及可擴展性、數據連續實時性、水下環境的可視化等方面的不足，本文提出了一種新型的模塊化池塘生態環境在線監測系統解決方案，通過在池塘循環水入水口布放多參數傳感器探頭，及精選部分池塘養殖池布放水下高清攝像頭，接入相應的數據采集控制系統進行集成搭載，利用無線傳輸模塊或地面以太網與控制中心通信完成對數據的實時更新與展示發布，真正實現了對池塘水溫、鹽度、葉綠素、溶解氧等生態環境要素的長期、實時、連續、在線監測，同時對池塘生物活動狀態及生活習性等進行實況視頻監控，并且滿足對氨氮、亞硝酸鹽等營養鹽要素的擴展集成。通過山東青島近岸海域示范運行，驗證了該方案實施的可行性，這將為海塘養殖業生產經營提供可靠的數據支持與技術保障，具有廣闊的應用前景。

海洋池塘；生態環境；在線監測系統；設計

20世紀50年代以來，我國海水養殖業發展迅速，從1961—2004年短短的幾十年間，養殖產量提高了77.69倍，達到1 253.3×104t[1]。海水池塘養殖是海水養殖業的三大主要養殖方式之一，始于20世紀70年代末的大規模中國對蝦養殖，近年來，池塘養殖規模呈現遞增趨勢[2]。就養殖技術和管理能力而言，我國已經取得了很大程度的發展。但由于海洋池塘養殖業起步相對較晚，在很多方面還不夠完善，比如池塘養殖業的現代化、規模化、信息化在很大程度上落后于一些發達國家。

海洋生態環境的變化與養殖業的產量息息相關，對池塘環境的實時監測將有助于掌握養殖生物生存環境的變化及可能產生的影響，并及時采取措施以減少養殖業不必要的損失。因此，池塘監測系統對于池塘養殖業的發展具有重要作用。我國現有池塘監測系統仍存在著許多不足，如系統的穩定可靠性及可擴展性、監測數據的連續實時性、水下環境的可視化、監測數據的開發與使用等方面還不夠理想。基于上述現狀，本文提出了一種新型的模塊化池塘生態環境在線監測系統方案[3]。

1 設計概況

通過在池塘循環水入水口布放多參數傳感器探頭接入相應的數據采集控制系統，并在特定水域增加水下視頻監測設備，通過與控制中心通信，完成對數據的實時更新與展示發布，構建一套新型的模塊化池塘生態環境在線監測系統，實現對池塘包括水溫、鹽度、深度、葉綠素、溶解氧等生態環境環境要素的長期、實時、連續、在線監測，對池塘水質環境和生物運動狀態及生活習性的實況視頻監控[4]，并且滿足對氨氮、亞硝酸鹽等營養鹽要素的擴展集成。本設計的優勢主要包括以下幾個方面：

1)系統集成：通過引進現場CAN總線分布式技術對多參數傳感器探頭及水下攝像頭進行有效搭載集成，提高系統整體穩定性與可靠性，以及后期可擴展性；

2)數據共享：通過構建監測控制中心，對池塘生態環境數據及養殖區實況視頻進行及時展示發布，從而實現數據共享；

3)信息整合：通過對監測數據進行信息整合，分析生態環境與產量關系，從而指導并進行輔助決策，實現對異常水質的預警預報，提高養殖質量。

2 總體設計

2.1 總體架構

根據池塘養殖區的結構設計，在各池塘養殖區放置生態環境數據采集控制系統，池塘內布放水質監測探頭，通過水密電纜集中接入相應池塘邊的控制箱。監控中心通過GPRS/CDMA通道負責與數據采集控制系統通信，并將系統狀態監控數據與生態環境數據實時地傳輸到監測控制中心[5]，系統網絡拓撲圖如圖1所示。

2.2 采集系統

數據采集控制系統是池塘生態環境在線監測系統的核心部分，通過引入現場CAN總線分布式模塊化集成控制技術，主要負責池塘循環水入口處多參數傳感器探頭及攝像頭的有效集成搭載，其系統組成框圖如圖2所示。

其中，按照數據采集控制系統空間位置劃分，主要包括池塘內布放于循環水入水口處的多參數水質監測探頭、水下攝像頭及池塘岸基水密控制箱。

2.2.1 生態環境監測數據采集軟硬件設計

系統功能模塊主要包括供電單元模塊、主從控制模塊、傳感器模塊、無線傳輸模塊。供電模塊負責主從控制模塊與傳感器模塊的能源供給與分配；主從控制模塊與各傳感器模塊通過現場CAN總線通信，負責傳感器管理與控制；傳感器模塊通過信號線和動力線與控制箱掛載監測探頭連接，負責傳感器探頭電源管理與數據采集處理[6]。

1)供電單元模塊

供電模塊主要負責主從控制模塊、傳感器模塊的能源供給，通過DC/DC模塊輸出5 V和12 V的電壓為主從模塊供電；各傳感器模塊將48 V輸入電壓轉換成適合各模塊正常工作的電壓，實際電路板如圖3所示：

2)主從控制模塊

主從控制模塊通過現場CAN總線與傳感器模塊通信，負責傳感器模塊的管理與控制，并負責傳感器數據解析處理工作[7]，是整個數據采集器的核心控制部分，是系統穩定運行的關鍵。為了保證系統的穩定可靠性，該部分主要由雙冗余的主控模塊與從模塊組成。

在硬件電路設計上，采用核心板搭配底板的設計，核心板處理器采用ATMEL AT91SAM9263芯片；底板根據實際應用進行適當裁剪設計，保留必要接口電路，比如RS232接口、以太網接口、CAN控制器接口等。

3)傳感器模塊

各傳感器模塊集供電管理和數據采集于一體，通過現場CAN總線與主從控制模塊通信，通過信號線與動力線等兼容接口與掛載傳感器探頭通信。各模塊間軟硬件設計類似，硬件電路主要包括CAN協議轉換與電源控制兩部分，是由CAN總線協議轉換器和DC/DC轉換器組成。軟件程序負責將RS232、RS485的接口數據轉換成CAN總線數據以及傳感器探頭的電源管理[8]。

4)無線傳輸模塊

數據采集控制系統在水下傳感器探頭與監測控制中心之間起著信息中轉站的作用。在物理連接上，主從控制模塊處理器經傳感器模塊和水密電纜與水下觀測探頭連接構成物理通信鏈路[9]；同時，處理器通過串口連接GPRS/CDMA的DTU終端，以無線方式與監測控制中心相連。

2.2.2 池塘監測現場控制箱

圖4是控制箱整體構造圖，控制箱內部安裝采用類似于PC電腦主板的插卡方式，其中包括供電模塊電路板、主從控制模塊電路板、傳感器模塊電路板、底板等。底板內部預留多路擴展插槽，可以根據需求更換傳感器模塊。

2.3 數據監控中心系統

數據監控中心主要包括兩個部分：實時數據監測平臺與資源數據共享網站。其中實時數據監測平臺負責水質在線數據采集控制系統的遠程控制、實時數據監測、實況視頻播放等；資源共享網站則負責數據發布、信息整合等功能[10]。

2.3.1 實時數據監測平臺

實時數據監測平臺(圖5)，主要負責遠程控制養殖區內所有池塘生態環境在線監測數據的采集與控制，并負責將監測數據實時轉發至數據監測中心。當CTD、溶解氧等傳感器探頭進行采樣時，前端控制模塊與數據管理系統建立長連接，解析并存儲原始采樣數據，同時根據通信協議，組包轉發數據至數據管理系統。另外，本設計還實現了斷網重連、超時重發、遠程反饋等機制，保證與數據管理系統長連接的穩定性。

2.3.2 資源共享網站

資源共享網站主要負責發布實時數據監測平臺獲取的水質更新數據，供外部用戶訪問查看，考慮到數據的安全性、可靠性，將存儲數據服務器分為四類：數據庫服務器、數據處理服務器、數據訪問服務器及數據備份服務器。

3 應用案例

2016年在山東青島近岸海域部署建設一套海洋生態池塘在線監測系統，并投入業務化試運行，根據實際監測需求，系統集成搭載了WQM傳感器、ROS C600攝像頭及LED光源設備，實現了對溫度、鹽度、深度、葉綠素、溶解氧、濁度等生態要素及水下高清實況視頻的長期、實時、在線監測。通過對一段時間的監測數據進行定量分析，給出了各生態環境要素隨時間推移的變化情況。

圖6顯示，該海域潮周期變化以正規半日潮為主；監測期間水溫持續增溫，平均增長率為0.12 ℃/d，日最大變化幅度達0.2℃；鹽度在31.40～31.65之間，日變化較為平緩；監測期間溶解氧呈線性遞減，平均遞減率為0.024 mL/L·d，且與溫度呈顯著的負相關；葉綠素濃度代表了初級生產力情況，監測期間變化與溫度無顯著相關性，影響因子有待進一步研究；濁度變化趨勢較為復雜，受近海潮水和風場混合作用影響，單一因素相關性較低。

4 結語

本文提出了一種新型模塊化的海洋生態池塘在線監測系統解決方案，并在山東青島近岸海域進行了部署建設及示范運行，結果表明其可以實現對池塘水體水溫、鹽度、深度、葉綠素、溶解氧等水質要素的實時監測；對池塘養殖區生物活動狀態及生活習性的實時視頻監控；對儀器工作狀態、數據采集頻次、監測數據質量的控制。本設計中采用現場CAN總線模塊化設計，可以方便更新和升級儀器，同時考慮到系統需求的多樣性，預留了充足的設備接口，從而可以掛載氨氮、亞硝酸鹽等營養鹽監測設備。通過獲取的大量第一手生態環境數據，可為海塘養殖業的生產經營提供可靠的數據支持與技術保障，具有廣闊的應用前景。

[1]李相普，賈文平，耿緒云.淺談我國海水養殖標準化的現狀及發展途徑[J].天津水產，2006，(2-3)：30-33.

[2]趙廣苗.當前我國的海水池塘養殖模式及其發展趨勢[J].水產科技情報，2006，33(5)：206-211.

[3]李道亮，陳新宇，王振智，等.一種池塘養殖水質在線監測系統：CN 201320283673.3[P].2013-11-06.

[4]張海燕，李欣，李康，等.深海海洋動力環境原位實時監測系統研究[J].高技術通訊，2014，24(3)：221-227.

[5]周恒瑞，馬從國，王業琴，等.基于GPRS的可移動式池塘水質無線監測節點的設計[J].福建農業科技，2014，45(11)：72-76.

[6]綦聲波，沈翔，于敬東.基于CAN總線的海洋水文氣象觀測系統設計[J].機械與電子，2014，(7)：35-39.

[7]陳棟，李欣，李培良.基于觀測網的海底動力環境監測系統的設計與實現[J].海洋技術學報，2015，(2)：21-26.

[8]周龍甫，呼永河，范泉水，等.模擬串口技術在多傳感器數據采集中的應用[J].醫療衛生裝備，2013，34(10)：4-5.

[9]李本龍.近海有纜觀測系統的設計與實現[D].青島：中國海洋大學，2012.

[10]王鴻雁，孟祥印，趙陽，等.基于ARM9及Android的水產養殖監控系統設計[J].漁業現代化，2016，43(4)：11-15.

Design and implementation of a marine ecological pond online monitoring system

ZENG Yindong1， 2，CHEN Dong2，CHEN Peng2，LI Lin2，ZHANG Wanlun2

(1.Marine Forecasting Center of Fujian Province，Fuzhou 350003，China；2.College of Oceanic and Atmospheric Sciences，Ocean University of China，Qingdao 266100，China)

The scale of pond farming in our country is increasing year by year，but we still fall behind the other developed countries in the modernization，scale and informatization.The real-time monitoring of the pond ecological environment will help to reduce unnecessary losses in fish farming.There are still many shortcomings in the pond observation system in our country，such as stability，reliability and extendibility of the system，continuous and real-time observation of the observation data，visualization of underwater environment，development and use of observation data，etc.Based on the above situation，this paper presented a novel solution of pond ecological environment online monitoring system，it built a new type of ecological environment online monitoring system by deploying multi-parameter sensor probes in pond circulating water inlet and underwater camera in selecting ponds，accessing to the data acquisition and control system，and then communicating with control center by GPRS/CDMA wireless transmission module or Internet to real-time update，show and release.The system realized the long-term，real-time，continuous，online monitoring of the ecological environment elements including temperature，salinity，depressure，chlorophyll，dissolved oxygen，and real-time live video monitoring of biological movement state and life habits.Besides，the system met the integration of nutrients elements such as ammonia nitrogen and nitrite.The data acquisition and control system was the core part of the on-line monitoring system of pond ecological environment，which was mainly responsible for the effective integration of multi parameter probe and camera through the introduction of the CAN bus distributed modular control technology.According to the system function module，it mainly included power supply module，master and slave control module，sensor module and wireless transmission module.The power supply module was responsible for the energy supply and distribution of the master-slave control module and the sensor module included +5 V，+12 V，+48 V by DC/DC module.The master-slave control module was responsible for management，control and communicate with the field CAN bus of each sensor module.The hardware part utilized the structure of core board plus bottom board where core board processor employed the ATMEL AT91SAM9263 and bottom board retained the necessary interface circuits，sensor module was responsible for CAN protocol conversion and power control including multi-parameter CAN module，camera CAN module，led CAN module and other extension CAN module.Wireless transmission module was responsible for communication with monitoring and control center by GPRS/CDMA DTU module.The control box inside was equipped with a card inserting mode similar to the PC computer mainboard，which comprised a power supply circuit board，a master-slave control circuit board，multi sensor circuit board，a bottom circuit board，etc.The bottom circuit board was provided with a multi-channel expansion slot，and the sensor module could be replaced according to the requirement.The control center was responsible for the release and show of observation data and live video including real time data monitoring platform and resource data sharing website.We have built the pond ecological environment online monitoring system to integrate WQM sensor，ROS C600 camera and LED light source device according to the actual needs of offshore area of Qingdao，Shandong and put into trial operation.It has proved the reliability and feasibility of the proposed solution and supplied reliable data support and technical guarantee for directing safety production and has broad application prospects.

pond；ecological environment；online monitoring system；design

2017-05-31

曾銀東(1978-)，男，在職博士，高級工程師，從事海洋觀測預報工作.E-mail：zydzyd100@163.com

P71；TP39

A

1006-5601(2017)04-0295-08

曾銀東，陳 棟，陳 鵬，等.海洋生態池塘在線監測系統的設計與實現[J].漁業研究，2017，39(4)：295-302.