基于物聯(lián)網(wǎng)的電捕漁船實(shí)時(shí)偵測(cè)系統(tǒng)研究

龐新苗，廖平

（1.湖南國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207；2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

0 引言

江河魚(yú)類(lèi)資源的保護(hù)越來(lái)越迫切，我國(guó)《中華人民共和國(guó)漁業(yè)法實(shí)施細(xì)則》明確禁止對(duì)魚(yú)類(lèi)濫捕濫殺的行為，然而仍然存在非法捕魚(yú)現(xiàn)象，其中高壓電捕漁是一種毀滅性的、極具危險(xiǎn)性的捕魚(yú)方法，對(duì)魚(yú)、對(duì)人、對(duì)環(huán)境都有著巨大的危害，主要表現(xiàn)為：（1）電極所到之處，不論大魚(yú)還是小魚(yú)全部被電死，從而造成漁業(yè)資源的進(jìn)一步嚴(yán)重破壞[1]。（2）電擊魚(yú)還會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)的食物，一些河流中棲息的無(wú)脊椎動(dòng)物造成嚴(yán)重傷害，使魚(yú)的生物餌料減少，間接影響漁業(yè)資源的恢復(fù)[2-3]。（3）電魚(yú)器電死大量的魚(yú)及其他生物，只有很少數(shù)被電魚(yú)人帶走，逐漸腐敗變質(zhì)，影響河流水質(zhì)。當(dāng)前對(duì)高壓電船非法捕魚(yú)的監(jiān)控主要是用執(zhí)法船巡邏的方式進(jìn)行監(jiān)控，但電船出現(xiàn)的時(shí)間和地點(diǎn)很有隨機(jī)性。所以，研究開(kāi)發(fā)出一種能及時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)電船進(jìn)行監(jiān)控的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其非法活動(dòng)進(jìn)行控制，已經(jīng)是非常緊迫！

1 電捕漁船捕魚(yú)信號(hào)在水中傳播機(jī)理及偵測(cè)器設(shè)計(jì)

1.1 電捕漁船捕魚(yú)信號(hào)在水中傳播機(jī)理

電捕漁船的核心裝置就是電魚(yú)機(jī)，其原理就是將低電壓大電流的電源變換成高電壓，通過(guò)在水中電極瞬間脈沖放電。這種電魚(yú)機(jī)發(fā)出的脈沖頻率通常在50～500KHz，電壓幅值高達(dá)幾千伏特，所產(chǎn)生的電場(chǎng)使得周?chē)鷰酌姿騼?nèi)的魚(yú)類(lèi)被擊暈。水中的電場(chǎng)E與與高壓脈沖源幅值U和距離S的關(guān)系是[4-5]：

式中：k為水的電導(dǎo)率、溫度等環(huán)境系數(shù)

1.2 電捕漁船捕魚(yú)信號(hào)的捕獲

球形電場(chǎng)測(cè)量探頭是捕獲脈沖電場(chǎng)信號(hào)的較為理想的傳感器，球形電場(chǎng)探頭由空心球體和測(cè)量電容C組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

圖1 球形電場(chǎng)探頭結(jié)構(gòu)示意圖

兩半球型金屬電極之間通過(guò)測(cè)量電容器C連接，處于電場(chǎng)強(qiáng)度E的電場(chǎng)中的兩半球型金屬電極上出現(xiàn)感應(yīng)電荷，測(cè)量電容上將產(chǎn)生電壓U，該測(cè)量電壓為：

R為球形傳感器上的小球的半徑，ε為介電常數(shù)。

1.3 電捕漁船捕魚(yú)信號(hào)偵測(cè)器設(shè)計(jì)

為了能對(duì)電捕漁船實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需設(shè)計(jì)電捕魚(yú)信號(hào)偵測(cè)器，將非法捕魚(yú)信息通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心和執(zhí)法的漁政人員手機(jī)上。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，偵測(cè)器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[7-8]。

圖2 偵測(cè)器的硬件結(jié)構(gòu)

由于電魚(yú)機(jī)發(fā)出脈沖的位置距離岸邊水域球形電場(chǎng)測(cè)量探頭的距離較遠(yuǎn)，球形電場(chǎng)測(cè)量探頭感應(yīng)的電場(chǎng)比較弱，并且會(huì)夾雜干擾信號(hào)，必須要進(jìn)行信號(hào)放大和濾波處理，如圖3所示[9]。

圖3 感應(yīng)信號(hào)放大和濾波處理電路

GPRS通信模塊采用標(biāo)準(zhǔn)RS232串口，串口速率110～230400BPS，實(shí)現(xiàn)與專(zhuān)用GPRS Modem模塊數(shù)據(jù)通信[10]。

STM 32單片機(jī)是整個(gè)偵測(cè)器的控制核心，內(nèi)部集成了12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，球形電場(chǎng)測(cè)量探頭的信號(hào)放大和濾波處理輸出信號(hào)Vout可直接輸入到STM 32單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換引腳。同時(shí)，內(nèi)置的串口模塊直接與GPRS通信模塊RS232串口進(jìn)行連接。偵測(cè)器有兩個(gè)按鍵，用于啟動(dòng)和停止偵測(cè)器工作。信號(hào)顯示采用串口顯示屏，將采集信號(hào)變成圖形，供工作人員進(jìn)行信號(hào)分析。STM 32單片機(jī)的主電路模塊如圖4所示，其PCB設(shè)計(jì)如圖5[11-12]。

圖4 STM32單片機(jī)的主電路模塊

圖5 STM32單片機(jī)電路板設(shè)計(jì)圖

2 基于GPRS網(wǎng)的電捕漁船動(dòng)態(tài)信息偵測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電捕漁船的非法捕魚(yú)行為，應(yīng)用GPRS網(wǎng)技術(shù)選擇合適的網(wǎng)絡(luò)測(cè)點(diǎn)分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域電捕漁船的追蹤，有效打擊非法電船捕魚(yú)，保護(hù)水資源和生態(tài)環(huán)境。為此，本文設(shè)計(jì)了基于GPRS網(wǎng)的電捕漁船實(shí)時(shí)偵測(cè)系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 基于GPRS網(wǎng)的電捕漁船實(shí)時(shí)偵測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GPRS Modem，它是一種實(shí)現(xiàn)GPRS（分組交換）通信的調(diào)制解調(diào)的設(shè)備，是一種物聯(lián)網(wǎng)傳輸終端，主要是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)偵測(cè)器采集到的信息遠(yuǎn)程傳送到監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心對(duì)各偵測(cè)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)非法電捕魚(yú)船時(shí)，及時(shí)發(fā)送非法捕魚(yú)船的位置信息到執(zhí)法的漁政人員手機(jī)上，引導(dǎo)執(zhí)法人員快速到達(dá)執(zhí)法現(xiàn)場(chǎng)[13]。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本文在某一河段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在該河段沿岸水域每隔100米布置1個(gè)偵測(cè)器，用一條電捕漁船進(jìn)行模擬電捕魚(yú)。如圖7所示。

圖7 某河段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試布置圖

測(cè)試電船距離第i個(gè)偵測(cè)器小于50米時(shí)，則該偵測(cè)器能夠捕獲到電捕魚(yú)的周期性脈沖信號(hào)，實(shí)驗(yàn)證明每個(gè)偵測(cè)器都能正常捕獲模擬電船的脈沖信號(hào)，如圖8所示[14-15]。

圖8 偵測(cè)器能夠捕獲到電捕魚(yú)的周期性脈沖信號(hào)

當(dāng)電船經(jīng)過(guò)某一偵測(cè)器時(shí)，偵測(cè)器感知脈沖信號(hào)并將報(bào)警信號(hào)通過(guò)GPRS通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綑z測(cè)中心和執(zhí)法手機(jī)上，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和有效性[16]。

圖9 執(zhí)法手機(jī)獲取報(bào)警信息

4 結(jié)語(yǔ)

基于GPRS網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了電捕漁船動(dòng)態(tài)信息偵測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)在沿岸水域布置電場(chǎng)強(qiáng)度偵測(cè)器和GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，進(jìn)行全天侯監(jiān)控電捕漁船的行為監(jiān)測(cè)，能有效的遏制此類(lèi)非法捕魚(yú)行為和保護(hù)環(huán)境。此模型能有效節(jié)約人力資源，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。