海洋生態牧場水質環境監測系統設計

曾兆銘，王啟銘，吳 勝，王良成

（三亞學院，海南 三亞 572000）

中國是海洋漁業大國，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、復雜的洋流系統和多種多樣的島礁分布，因此在漁業方面無論是種類還是數量都很豐富[1]。然而，多年的過度捕撈、生產生活廢棄物所造成的污染海洋事件的影響，使得我國海洋漁業資源正在逐步枯竭，這也將導致我國海洋生態系統失衡，給世界漁業造成嚴重影響[2]。海洋生態牧場作為各國由傳統海洋捕撈漁業轉型為海洋生態養殖捕撈作業的新動力，同時作為海洋資源開發利用的新模式和新手段，能夠很好地保護海洋漁業資源平衡，保護海洋生態多樣性，實現海洋生態與經濟利益的協調發展，具有很好的經濟收益性和社會價值，加快綠色生態海洋經濟的發展。

我國針對海洋生態牧場的研究開始于1965年，1979年前后開始建設。2017年4月26日，農業部發文《農業部關于實施農業綠色發展五大行動的通知》中明確提出我國要“推進海洋牧場建設，推動水產養殖減量增效”，這也是國內第一次把海洋生態牧場建設發展提高到了國家海洋漁業發展戰略的重要位置[3]。2017年10月農業農村部又印發《國家級海洋牧場示范區建設規劃（2017-2025年）》的文件，明確提出計劃到2025年以前在國內將建設178個（2019年提出建200個）國家級海洋生態牧場示范區。2020年12月29日，農業農村部發布第377號公告，公布了第六批國家級海洋牧場示范區名單，至此全國的國家級海洋牧場示范區已達到136個[4]。

1 系統方案設計

針對反應海洋生態牧場水質的主要指標數據進行實時監測，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牧場內的海水溫度電導率等。對超出設定限值的數據及時報警，為牧場管理者和環境監管單位提供事件處理依據。系統設計采用通用平臺，實現各類水質參數的實時處理，對于不同類型的水質參數數據，只要通過更換不同傳感器、簡單修改程序即可實現，以降低開發成本和用戶使用成本。本次設計以能夠反映海洋牧場水質參數中重要的pH值、濁度、氧含量和電導率四個重要指標為目的，同時系統具有較強擴展性。這四項指標對海洋牧場內漁業資源的生活和水產產量有較大影響，指標的嚴重偏離會影響海洋生物的多樣性[5]。

1.1 系統通信方式選擇

海洋生態牧場建設地點往往較偏僻、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工作穩定性和系統可靠性具有較大影響。有線通信方式施工和維護成本較高，不適合海洋生態牧場環境使用，因此選擇無線的通信方式。無線通信方式經過近幾十年的發展已趨于成熟，常用的無線通信方式有Wi-Fi技術、IrDAJ技術和Zigbee技術等，近距離通信的NFC，GPS，DECT等等[6]，海洋生態牧場所需的無線傳輸技術應該具有系統工作穩定、功耗低、傳輸距離長和投資低等特點，通過對比發現Zigbee技術能夠滿足上述特點，并且適應室外中長距離傳輸，整體功耗較低。

1.2 系統架構選擇

海洋牧場水質環境監測系統采用三層架構設計，系統架構清晰、功能明確，工作穩定可靠。從下往上依次為水質信息采集層、數據中轉層和數據處理中心層，各層各司其職，協調工作。

處于系統架構底層的水質信息采集層是系統工作的基礎，所有海洋生態牧場水質環境數據都通過該層的傳感器上傳到節點處理器，是面向對象的物理層。該層級的主要任務是將傳感器采集到的各水質參數轉換成電信號，通過處理器實現數據轉換，本地數據存儲以防數據丟失，同時完成數據的上傳任務，將采集到的實時數據上傳給數據中轉層，通過數據中轉層將數據匯總到數據處理中心層。因此，該節點層設計有數據采集電路模塊、數據格式轉換電路模塊、數據存儲功能模塊以及數據的無線發送與指令接收電路模塊。考慮到該系統應用場景的特殊性，系統工作于野外環境，為降低系統維護工作量，水質信息采集層的節點采用太陽能板供電。

處于系統架構中間層的數據中轉層是系統的數據上傳下達層，使系統具有較遠的傳輸距離，實現布點數的最少量，以節約成本。該層除數據中轉外還具有控制指令傳達功能，將數據處理中心的控制指令傳遞給水質信息采集層，為降低系統功耗，系統的大部分實踐是處于休眠狀態的，為了能夠及時喚醒，采用時間同步算法。

處于系統架構頂端的是數據處理中心層，該層是系統控制核心，掌管系統的指令發布、數據匯總、數據處理和數據結果發布等功能，該層采用人性化的人機交互界面實時處理底層上傳的數據[7]。

該系統具有結構合理、數據收發準確、水質信息處理量大等特點，適合做海洋生態牧場水質環境監測系統的數據處理系統，系統實物如圖1所示。

圖1 系統實物圖

2 硬件電路設計

在硬件電路設計方面系統要求具有高可靠性、通用性以及互換性好等特點，因此模塊的設計采用標準化轉換接口、通用設計，當傳感器出現故障或者因功能需要增減傳感器時，能夠輕易更換，這為系統的二次開發和系統移植打下良好基礎。

2.1 水質信息采集模塊設計

海洋牧場水質參數信息通過各種數據傳感器采集來的數據，發送給STM32單片機核心板，通過軟件對數據進行處理，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、電導率傳感器）、數據變送電路、單片機、無線數據收發電路、電源電路和外圍電路組成，水質信息采集模塊電路的結構框圖如圖2所示。傳感器采用工業級傳感器，性能可靠、精度高，輸出信號采用0-5 V線性輸出電壓接口。數據變送電路完成傳感器水質電壓信號的放大、濾波整形和轉換功能，將處理好的數據送入單片機進行計算分析。單片機采用STM32單片機作為處理單元，結合外圍電路實現數據的運算、分析和存儲。無線數據收發電路將傳感器采集的信號經單片機處理后，以無線的方式發送到數據中轉節點，同時接受數據中心節點發送的休眠和喚醒指令。

圖2 水質信息采集模塊電路的結構框圖

2.2 數據中轉模塊設計

數據中轉節點在系統中處于中間級，實現海洋牧場水質參數的上傳下達、延長系統通信距離和水質數據的暫時存儲功能。該模塊處于數據中心節點和水質信息采集節點的中間層，當水質信息采集節點距離數據中心節點距離較遠且二者不能直接通信時，數據中轉節點將建立起兩者之間的無線連接，將水質信息采集節點采集處理后的數據轉發給數據中心節點。當出現數據中轉節點無法與數據中心節點通信的情況時，該節點還能夠將收集到的水質參數信息暫存于此，待通信恢復后再轉發。數據中轉節點還有一個非常重要的路由任務，數據中轉節點會根據系統的復雜程度與水質信息采集節點距離和數據中心節點的距離，優化數據傳輸路徑，實現最短距離、最少延時的數據轉發功能。數據中轉節點模塊結構框圖如圖3所示。

圖3 數據中轉節點模塊結構框圖

2.3 數據中心節點模塊設計

數據中心節點模塊由STM32單片機開發板、電源模塊、觸摸屏模塊、存儲器模塊、CC2530無線收發模塊和外圍電路模塊組成。數據中心節點是系統的心臟，具有領導地位，主要負責無線傳感器網路搭建、路由設計、節點協調工作、數據處理和人機交互等功能。通過數據中心節點的監控中心服務器設置各水質參數的上限值，當實際數據超過該值時系統發出報警信號，提示參數超標，為海洋生態牧場管理者和海洋環境執法部門提供處理依據。服務器配有云端接口，實現數據的同步云存儲。數據中心節點模塊結構框圖如圖4所示。

圖4 數據中心節點模塊結構框圖

3 軟件系統設計

軟件系統是海洋生態牧場水質環境監測系統的靈魂，具有支撐系統內部協調工作的功能，軟件系統的設計應該充分考慮到系統的兼容性、可操作性和人機交互的簡潔性。海洋生態牧場水質環境監測系統的軟件系統設計包含兩個部分，上位機軟件和節點軟件。上位機軟件為監控中心軟件系統，包含水質參數數據分析處理子程序、系統數據與云端存儲子程序、人機交互子程序，用于實現系統數據的維護、水質參數數據的分析處理、各種統計報表的生產與打印、數據云端存儲與實時查詢服務等。節點軟件系統包含數據中轉節點和水質信息采集節點的程序設計，水質信息采集節點的程序用于支撐該節點數據參數的處理、轉發與存儲功能，數據中轉節點程序用于處理數據上傳下達過程中的數據處理和本地存儲。軟件系統結構框圖如圖5所示。

圖5 軟件系統結構框圖

4 結束語

系統建成后在我校水域進行了系統功能驗證和主要參數測試，測試結果表明系統組網功能正常，數據收發功能正常，能夠實現海洋生態牧場水質環境監測系統功能要求。經過對節點數據收發丟包率測試和系統掉電重新組網等功能測試，結果表明各項指標滿足設計要求。