水產養殖移動式水下無線視頻系統的設計與研發

連夢想 于淑卿 薛磊 馬國強

摘 要：現階段水產養殖面臨三方面的難題：首先，傳統養殖無法及時反映實際情況，且在人力物力消耗增加的情況下，收益逐年減少；其次，當前各組織對自然水生生物資源保護力度加大，而水產養殖對水下環境造成了較大污染，因此受到世界各國的普遍關注；最后，高清視頻的視頻流量較大，監控環境復雜，傳統的有線視頻監控系統無法滿足按需布線與傳輸速率高的要求。針對上述問題，文中設計、研發出一套水產養殖移動式水下無線視頻系統，通過移動式水下無線視頻設備對魚的行為特征和身體特征進行監控，實現智能化、科技化養殖。

關鍵詞：移動式；監控；水產養殖；無線視頻

中圖分類號：TP39；S969 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

水產養殖是人工控制繁殖、培育和收獲水生動植物的生產活動，一般包括在人工飼養管理條件下將苗種養成水產品的全過程。養殖環境和科學投喂以及魚類的大小、分布對水產養殖十分重要。科學投喂主要包括兩點：投喂營養全面的飼料，禁止投喂變質的飼料；飼料的投喂須確保魚可在兩小時內吃完，防止殘餌腐敗水質。但傳統的養殖方式無法保證投食的質量和數量。針對此情況，作品設計了一套移動式水下無線視頻系統，以解決靠經驗投食、投藥無法監測的問題。通過移動式水下無線視頻設備，人們可觀測到水下魚的分布、體重及大小等情況，在對魚類有效進行智能化養殖的同時，節約資源，避免污染水質。隨著科技的發展，移動設備為魚類養殖監控提供了一個更為便利的方式，可在手機、筆記本電腦及平板電腦等移動設備上隨時監測魚類的情況，進而對魚類進行科技化管理。

本項目采用主流的嵌入式無線視頻監測方式，并結合實際情況，提出一種移動式水下視頻實時傳輸系統設計方案，針對系統中視頻數據采集和傳輸、視頻圖像顯示以及水下移動平臺的控制等問題，運用OpenWrt系統以及視頻和運動控制應用程序開發等技術，建立了一套成本低、無線、便于移動且性能穩定的水下視頻傳輸系統。

1 水產養殖移動式水下無線視頻系統的必要性及研究意義

移動式水下無線視頻系統所具有的網絡易連通性可彌補傳統養殖的不確定性缺陷，實時監控投喂飼料的情況，極大地保證了飼料質量。這項研究進一步體現出現代互聯網與農業的交接，帶動了水產養殖的發展。

2 移動式水下無線視頻系統的實現

移動式水下無線視頻系統包括監控端、無線網絡和用戶端三部分。

（1）監控端負責視頻數據和其他數據的采集和傳輸，由OpenWrt路由器、攝像頭和接口板組成；

（2）無線網絡負責將本地監控端數據傳送至遠程用戶端（借助局域網或因特網）；

（3）用戶端上位機軟件或網頁負責實時顯示監控端發送的數據，并可根據監控人員的需要對遠程監控端進行控制。上位機硬件平臺可選用筆記本電腦、手機、平板電腦等。

2.1 無線視頻的實現

根據當前形勢，本文提出運用WiFi進行視頻傳輸，并通過IP地址進行遠程監控的無線監控方案。首先分析802.11協議的結構、無線幀的形成過程，再根據實際需求選擇相應的硬件模塊構建網站或PC客戶端，其中CHD-T5是一款2.4GHz， 150 Mbit/s中端WiFi多媒體模塊。模塊可同時支持WiFi轉視頻，WiFi轉串口，WiFi轉GPIO；WiFi轉I2C功能。一般免驅USB攝像頭都可以直接接入模塊，進行無線視頻數據采集。CHD-T5支持AP，STA，AP與STA兼容（WiFi萬能中繼）三種模式，能滿足各種應用環境。硬件封裝提供插針（DIP 30mm×48 mm）與貼片（SMT 28 mm×48 mm）兩種，具有體積小、性能強大、數據吞吐量大等特點。客戶在接收播放視頻時存在不連貫的現象，因此需對視頻播放不連貫現象進行分析與優化。首先應分析視頻幀數、網絡狀態參數、延時幀數、視頻幀率等參數，然后通過調節參數來控制幀率，實現視頻播放連貫的效果，最后檢驗WiFi無線監控方案的實施效果，并對幀率控制效果進行測試，使測試結果滿足方案設計的要求。無線視頻監控系統設計方案如圖1所示。

2.1.1 WiFi點

802.11協議是IEEE 802工作組定義的第一個被國際組織認可的無線局域網通信協議，采用2.4 GHz和5 GHz ISM頻段。802.11協議的無線局域網具有易部署、構建快速和靈活等特點，這是傳統有限局域網不具備的。本WiFi模塊支持的無線協議標準包括IEEE 802.11n，IEEE 802.11g，IEEE 802.11b。

現階段，WiFi已擺脫電纜的束縛，可通過無線媒介來傳播信息，在降低網絡配置成本的同時，使得組網方式更加靈活。從硬件設備的要求來看，通過WiFi組建局域網相比有線網絡更加簡潔，當前市場上支持WiFi的設備很普遍，各種不同品牌的無線AP和客戶端之間都可以相互進行操作。且全球使用統一的WiFi標準，因此在世界任何一個地方都可以使用這一服務。

2.1.2 系統功能

該模塊移植了OpenWrt系統，OpenWrt是一個高度模塊化、自動化的嵌入式Linux系統，擁有強大的網絡組件和擴展性，用戶可以方便、快速地定制一個具有特定功能的嵌入式系統來制作固件。根據系統方案，編譯了一個包含kmod-video-core，mjpg-streamer和ser2net組件的固件系統，分別提供視頻設備驅動、視頻服務器和串口轉網口功能。

網站總體架構設計方案如圖2所示。

2.2 移動式觀測顯示

作品結合無線視頻系統的實現以及水產養殖的相關數據所編寫的程序與可視化網頁，可方便人們在終端設備上實時監控魚等水產的生長及其行為。

作品的顯示包括以下兩個方面：

（1）手機客戶端的顯示。手機與水下的WiFi模塊共同連接一個路由器節點，使水下情況在手機上顯示。

（2）電腦網站上的顯示。我們采用Dreamweaver CS6來制作前臺頁面，用PHP編程語言進行后臺的編寫，進而把路由器的相連熱點與網站相結合，實現信息在網站上的顯示。

2.3 水下檢測的基礎

由于作品主要在水下通過攝像頭對魚類進行研究，因此，水下攝像頭需具有外殼密封、穩定、可調節和美觀等特點。我們采用的攝像頭外殼呈雨滴形，整體的流線使攝像頭在水下也具有較強的穩定性。外殼主要分為上下兩部分，上部分作為蓋子方便攝像頭放入，下部分將雨滴的內部進行劃分，從而實現攝像頭的穩定放置，同時下部分還具有一個封閉的凹槽，可手擰螺絲對外殼位置進行調節實現密封。雨滴上部留有一個小孔，用于與外部天線連通。外殼模型俯視圖如圖3所示。

2.3.1 良好的密封性

利用軟件將預想外殼繪制出來，在設計過程中計算好每一個數據，確保模型沒有漏洞。通過3D打印，將攝像頭放置在外殼下部，用膠水將兩部分粘在一起實現封閉，通過手擰螺絲對外殼進行調節。設計一個凹槽，并在凹槽外部添加一個皮墊，不僅能固定外殼，還可防止進水，進一步提高了外殼的封閉性。

2.3.2 優越的穩定性

外殼內部放置有攝像頭，外殼外部放置在具有游動的魚的水中，以保證攝像頭錄制的清晰度與穩定性。作品采用具有強穩定性的流線型雨滴結構作為外殼的整體結構。在水中放置一個有等間距孔的桿子，通過手擰螺絲經外殼上的皮墊將外殼固定其上，從而使外殼完全固定在水中，保證攝像頭能夠清晰并穩定地攝像。

2.3.3 突出的可調節性

作品的外殼與攝像頭主要放置在水下對魚類的情況進行觀測，而不同種類的魚的生活水層各不相同，考慮到此問題，作品采用將外殼與手擰螺絲相結合的方式，利用放置在水中的一個具有等間距孔的桿子，將手擰螺絲與外殼固定起來，可通過手擰螺絲穿過水中不同高度的孔來調節外殼中攝像頭拍攝的水層范圍。外殼膜性側視圖如圖4所示。

2.3.4 美觀性

不同于市場上造型單一的攝像頭，本文設計的作品采用流線型雨滴樣式，更具有代表性、吸引力，且更美觀。

3 系統運用結果

該系統可廣泛應用于大型水產養殖中。水下攝像頭良好的外殼密封性、穩定性、靈活性等優勢使得其可清晰拍攝位于不同水層的魚類，無線視頻實現了水下監控魚類行為的目標，可對魚的行為、進食等進行全面監控，使傳統的水下養殖實現了一定程度的科技化。利用網頁編輯器以及編寫語言實現了可視化網頁的展現。

4 結 語

在未來經濟、科技的發展中，水產養殖的速度會越來越快，因此水下無線視頻與水產養殖的關系也會更加密切。WiFi是本文提出的移動式水下無線視頻系統中的關鍵部分，符合網絡信息時代的發展潮流。如果數據量較大，還可在用戶端或監控端加入處理設備，去掉冗余數據，使顯示的數據更具可讀性和準確性。而無線視頻的設計也將成為另一個熱點。

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