基于WSN區(qū)域電捕魚船監(jiān)控體系模型研究

龐新苗

(湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南湘潭，411207)

關(guān)鍵字：電捕魚船；WSN；場強

0 引言

當前各種水域中電捕魚活動猖獗對于水域的魚資源破壞性極大。主要表現(xiàn)為：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(yè)資源的進一步嚴重破壞；電擊對魚類的食物，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(yè)資源的恢復(fù)；電魚器電死大量的魚及其他生物大部分尸體還是沉到水底，逐漸腐敗變質(zhì)，影響河流水質(zhì)[1]。

雖然對電捕魚各地都采取了各種嚴厲的措施，部分地區(qū)還成立了反電魚小組和志愿者進行監(jiān)控，取得了一定的收效。但由于電魚活動時間、地點變化性大，特別是大部分在深夜活動，對于有效的控制非法電魚活動存在很多的不足。因此，建立能全天候，全地形能對非法電捕漁船進行有效的實時監(jiān)控非常迫切。

本文就基于WSN通過監(jiān)控水域中電捕漁船進行非法活動時所產(chǎn)生的場強進行實時監(jiān)控并跟蹤的模型進行了探索和研究，以達到有效監(jiān)控電捕漁船的非法活動。

1 基于WSN監(jiān)控區(qū)域電捕漁船的思路

通過對某水域及其相連支流進行實地調(diào)查研究，采集電捕魚船的數(shù)量、活動范圍和頻率，分析所在區(qū)域地貌，選擇合適的無線傳感器，合理布置網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)傳感器檢測到的信號采用改進的追蹤控制算法，對非法的電捕魚船的數(shù)量、行動軌跡和停靠的具體地點信息數(shù)據(jù)進行動態(tài)掌握和反饋，從而實現(xiàn)對區(qū)域電捕魚船的追蹤，有效打擊非法電船捕魚，保護水資源和生態(tài)環(huán)境。

（1）實地走訪當?shù)鼐用襁M行了解、連續(xù)調(diào)查不同河段的方法對本區(qū)域河流的高壓電船捕魚的實際情況進行了解；對區(qū)域水域的實際情況進行偵測，取得水域和魚情的確實分布數(shù)據(jù)。

（2）合理的布置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對傳感器進行定位和路由協(xié)議的改進，尋求合適數(shù)據(jù)傳輸方式；傳感器的定位方式很多，有很多較成熟的研究，采用免測距的定位方法能滿足對傳感器定位的要求。并根據(jù)節(jié)點的能量限制的原則找到最佳的路由，確定最優(yōu)化的傳播路徑。并且有研究根據(jù)少量的觀測場強，能夠通過壓縮感知方法也能實現(xiàn)傳感器節(jié)點的位置估計[3]。

（3）高壓電船每天的數(shù)量和運動軌跡的確定，根據(jù)各監(jiān)控傳感器所檢測的數(shù)據(jù)進行計算分析確定。

（4）尋求合適的數(shù)據(jù)接收方式；每個傳感器所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)線現(xiàn)根據(jù)路由協(xié)議傳送到sink節(jié)點，再采用無線傳輸?shù)姆绞饺藶榈倪M行接收數(shù)據(jù)。

（5）根據(jù)不斷的研究和改進，建立恰當?shù)膮^(qū)域電船監(jiān)控模型，并進行仿真實現(xiàn)。

2 監(jiān)控模型建立需解決的問題

2.1 測量參數(shù)的確定

選擇監(jiān)測傳感器之前，先確定需要測量的參數(shù)，如電壓、電流、電場強度、磁場強度等參數(shù)。電捕魚船的兩個電極在電魚時相當一對電偶極子，離它越遠，電壓、電流、電場強度等都會衰減。在水中監(jiān)測場強可以參考L-M算法[2]，電壓和電流在水中不方便測量，結(jié)合電磁場在空氣中轉(zhuǎn)播事例，電場也可以在水中轉(zhuǎn)播，只是電介質(zhì)不一樣。最后確定采用能測量電場強度的傳感器。

2.2 傳感器選型

測量參數(shù)確定后，應(yīng)選擇能監(jiān)測約1V以上的電壓傳感器。

2.3 理論數(shù)據(jù)

找到電場在水中的傳播規(guī)律，推算出電場強度分布的數(shù)學(xué)模型，因不同的水質(zhì)對電場的衰減不一樣，然后再引入不同的系數(shù)進行校正，然后建立數(shù)學(xué)模型后，應(yīng)進行計算機仿真。

2.4 標定

用電場強度測試儀到現(xiàn)場完成實驗，將測量的數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進行比較，變化的方向和趨勢應(yīng)該是一致的，如果變化的方向和趨勢不一致，則需要重新進行理論數(shù)據(jù)推算或重新建模。如果變化的方向和趨勢一致，則需要用實驗數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)模型進行修正。

2.5 電捕魚船位置定位

建立數(shù)學(xué)模型后，就可以根據(jù)測量點的電場強度確定電捕魚船與測量點的距離，三個測量點就可以確定電捕魚船的相對位置，如果測量點的位置確定，電捕魚船的位置也可確定。

2.6 其他技術(shù)難點

當測量點與電捕魚船的距離太遠時，檢測到的信號很微弱，在傳感器內(nèi)部要設(shè)計一個高增益的放大電路。由于干擾，還有可能需要增加濾波電路。

3 基于WSN區(qū)域電捕漁船監(jiān)控模型設(shè)計及效果

3.1 水域和魚情監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖1 魚情、水域監(jiān)測部分數(shù)據(jù)

為獲取水域的水情和魚情，使用無人機吊裝聲納魚情、水深探測器對湘潭姜畬段漣水河進行測試。采用測試位置為沿河從第一點開始每隔30-50米距離進行測試；測試位置的第1點為從河岸邊向和中間進行測試，每隔10米左右測試一次，每個位置測試5次，即離河岸10米，20米，30米，40米，50米共測5次；魚情多為該測試位置有3條以上，少為3條以下的參數(shù)記錄方式監(jiān)測了122個位置共610個點位的情況。統(tǒng)計出該水域的最深處為8.8米，魚情主要分布在2.4米至8.8米深度，分布位置沒有一定的規(guī)律。

3.2 電魚機場強監(jiān)測數(shù)據(jù)

采用場ETS-LINDGREN強測試儀在水中進行場強測試，所測打魚機為普通常見單人打魚機，電源為20伏蓄電池，電壓放大器輸出最大電壓為58000V。其監(jiān)測結(jié)果在25米深度都有1.0V的電壓，具體為：

表1 場強測試數(shù)據(jù)

3.3 區(qū)域電捕魚船監(jiān)控模型設(shè)計

根據(jù)對區(qū)域電捕漁船的監(jiān)控需求，根據(jù)水域?qū)嶋H情況進行仿真模型設(shè)計，具體如下：

（1）任意模擬某一水域如何基于WSN實時監(jiān)控電捕漁船的活動。在建模時，可以先建立水域的大概形狀，描繪出任一水域大概輪廓。使用鼠標在下圖的框內(nèi)隨機從左至右畫兩條不規(guī)則的曲線作為河流任意一段，兩條曲線之間定義為河流水域需監(jiān)控區(qū)域。此區(qū)域就確立為需要進行實時監(jiān)控的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的水深隨機生成，但不超過8所測漣水河測量深度的3倍，即18米，如圖2 所示。

圖2 繪制需監(jiān)控水域

（2）在需監(jiān)控水域可隨機布置場強無線傳感器。因為所測電捕魚在電魚時所產(chǎn)生的場強是隨水的深的變化不斷的衰減，在25米距離時，仍能監(jiān)測到1V左右的場強，在設(shè)定水深不高于12米時，所有傳感器均能有效地監(jiān)控場強。所以。根據(jù)實際需要情況況課設(shè)置數(shù)量和傳感器探測場強距離，通過分布式的DV-Hop算法[4]進行傳感器自定位。例如布置30個傳感器，其感應(yīng)距離18米，如圖3所示。

圖3 水域傳感器隨機分布圖

（3）在監(jiān)控水域布置好傳感器后，其監(jiān)控就能有效的實施。此刻，如果有電捕漁船在此河流進行非法捕魚行動，在經(jīng)過某個傳感器的探測距離時，其感應(yīng)器就會報警并進行廣播器位置信息，如圖4所示。

圖4 電捕漁船監(jiān)控軌跡圖

（4）電捕漁船在區(qū)域水域進行非法捕魚過程中，根據(jù)所偵測到場強的傳感器自動形成魚船的運動軌跡，便于實時抓捕，如圖5所示。

圖5 電捕漁船運動軌跡及位置

4 總結(jié)

基于WSN監(jiān)控電捕漁船的模型，通過采用在區(qū)域河流隨機布置場強傳感器，通過自組定位廣播實時監(jiān)控信息的方法能對區(qū)域河流進行全天侯監(jiān)控電捕漁船的行為軌跡，能有效的遏制此類非法捕魚行為和保護環(huán)境，并對犯罪行為由很大的威懾作用。