基于LoRa的非法捕魚偵察與追蹤系統(tǒng)*

鄭雯倩 閆興園 王皓

合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院 安徽 合肥 230009

1 研究背景

目前國內(nèi)針對非法捕魚偵察的研究較少，社會上對于非法捕魚現(xiàn)象的監(jiān)管仍主要依賴人工巡查的方式，效率低、實時性差且耗費大量人力物力。一些傳統(tǒng)的偵察方式如無人機、無人船、衛(wèi)星等本質(zhì)上屬于視覺上的觀測，水體感知系統(tǒng)并不完整，不能識別出毒魚、電魚等行為，而仿生魚檢測又普遍存在作用范圍小、通信距離不足、靈活性差、偵察效率低等問題[1]。在國外，對于非法捕魚行為則主要利用大量船舶的數(shù)據(jù)庫訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)算法，判斷非法轉(zhuǎn)運發(fā)生的可能性，結(jié)合GPS、北斗等導(dǎo)航技術(shù)來檢測突發(fā)情況。但由于非法的、未報告的和不受管制的捕魚狀況類型較多，數(shù)據(jù)庫的訓(xùn)練無法做到全覆蓋，且檢測手段仍然僅僅停留于視覺圖像上，缺乏對水域環(huán)境進行全方位的感知，同樣，對于毒魚、電魚等隱蔽性較強的非法捕魚行為無能為力，且系統(tǒng)本身檢測時效響應(yīng)較慢，很難及時做出應(yīng)對措施。

綜上所述，目前的研究成果多數(shù)只對于偵察水上的船只有較好效果，對于沒有船只的非法捕撈行為難以偵察。而現(xiàn)有的仿生魚雖然能夠?qū)崿F(xiàn)水下自主巡游，但對于非法捕魚而言，其感知能力并不完全，且其采用的wifi無線連接通信方式距離較小，使系統(tǒng)作用范圍受到局限。

我們注意到，LoRa具有更低的能耗，更遠的傳輸距離及更高的靈敏度，因此我們采用LoRa技術(shù)對仿生魚進行組網(wǎng)調(diào)度，一方面我們自行設(shè)計并提出了各類型非法捕魚偵察方案，并通過多節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)互補來彌補仿生魚個體感知能力不足的問題，另一方面通過大規(guī)模組網(wǎng)來擴大仿生魚的偵察范圍，使系統(tǒng)整體通信距離能夠覆蓋水域?qū)挾龋岣邆刹煨剩档腿粘Ｑ膊榈娜肆Α⑽锪ο模M而有效打擊各類型非法捕魚行為[2]。

2 設(shè)計原理

2.1 設(shè)計思路

本系統(tǒng)偵察與追蹤過程包含海陸空三方通信，并將偵察結(jié)果通過TLink 物聯(lián)網(wǎng)云平臺傳遞給用戶，各節(jié)點布置方式與主要功能如下：

2.1.1 終端節(jié)點。終端節(jié)點（仿生魚群）處于感知層，位于整個系統(tǒng)最底層。每條仿生魚作為一個可移動終端節(jié)點，其主要功能如下[3]：①采集環(huán)境信息，如電導(dǎo)率、溫度、化學(xué)物質(zhì)濃度以及水聲檢測等。②通過LoRa 技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)上傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點（無人機/地面基站）。③接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點的指令，依據(jù)指令完成任務(wù)。

2.1.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點（無人機/地面基站）是終端節(jié)點與 TLink 云平臺連接的橋梁，具有承上啟下的作用，其主要功能如下[4]：①與終端節(jié)點和TLink云平臺進行通信，接收終端節(jié)點發(fā)送的環(huán)境信息并將處理后的數(shù)據(jù)通過WiFi傳給TLink云平臺。②接收TLink云平臺指令，通過運算自動向終端節(jié)點傳遞移動命令。

2.1.3 TLink 物聯(lián)網(wǎng)云平臺。①對網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)來的環(huán)境數(shù)據(jù)進行解析處理、存儲，并將信息通過網(wǎng)頁和移動客戶端等方式呈現(xiàn)給有關(guān)部門。②有關(guān)部門可以通過TLink云平臺統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)、設(shè)置異常報警功能以及向網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送操作指令。

2.2 通信系統(tǒng)驗證模型設(shè)計

以電導(dǎo)率和水聲探測的通信系統(tǒng)為例，實物系統(tǒng)由2兩個終端模塊、中繼和上位機構(gòu)成。兩個終端模塊分別為電導(dǎo)率發(fā)送端和噪聲發(fā)送端。電導(dǎo)率發(fā)送端采用電導(dǎo)率傳感器模塊——溶液水質(zhì)檢測電導(dǎo)率計，檢測水體電導(dǎo)率，STM32F103C8T6開發(fā)板采集電導(dǎo)率信號，并配合ATK-LORA-01無線串口通信模塊將電導(dǎo)率信號傳送至中繼；噪聲發(fā)送端采用分貝儀檢測噪音發(fā)生器模塊——噪聲傳感器測試儀485工業(yè)級聲音傳感器，檢測水聲，并配合正點原子LORA模塊ATK-LORA-01無線串口通信模塊將噪聲信號傳送到中繼中繼由STM32F103C8T6開發(fā)板、ATK-LORA-01無線串口通信模塊、杜邦線組成，用于接收終端LORA模塊傳送的信號，并將信號傳送到上位機LORA模塊。

上位機由PC機、ATK-LORA-01無線串口通信模塊、S T C 單片機自動下載線器U S B 轉(zhuǎn)T T L 免手動冷啟編程器STCISP、杜邦線組成。用于接收中繼發(fā)送的信號。上位機可配合ATK-LORA配置軟件 V1.2顯示接收到的數(shù)據(jù)，也可配合LabVIEW2018軟件對接收到的信號進行處理，判斷并顯示是否出現(xiàn)電魚和炸魚行為，并顯示電導(dǎo)率波形和水聲波形。

2.3 非法捕魚偵察方案設(shè)計

非法捕魚現(xiàn)象近年來尤為猖獗，其主要方式可以概括為以下四種，在對各類非法捕魚活動帶來的行為信息、聲音信息、以及水質(zhì)環(huán)境的改變進行分析后，我們分別針對不同類型的非法捕魚設(shè)計了如下偵察方案：

2.3.1 撒網(wǎng)捕魚偵察。撒網(wǎng)時湖面會有較大波動，同時收網(wǎng)時大量魚會拍打水面產(chǎn)生異常震動，因此我們在仿生魚頭部安裝接收器，采用水聲換能器將振動信號轉(zhuǎn)換為電信號并采集，以便進行撒網(wǎng)捕魚行為的判斷。

2.3.2 毒魚偵察。目前使用的毒魚藥物大致可分為以下三類，其檢測方式及原理如下：①魚藤酮殺蟲劑等降低水體溶氧量的藥物：該藥物可使一定范圍內(nèi)水體的溶氧量下降，造成魚類因缺氧而出現(xiàn)大量浮頭現(xiàn)象甚至死亡，因此，我們采用OOS61熒光法溶解氧傳感器檢測水中溶解氧含量的變化情況，以檢測該藥物的投放。②氯氰菊酯殺蟲劑等含氯藥物：不法分子人為地用含氯離子的藥品毒魚進行非法捕魚，這種藥物中的Cl-可與Na+、Ca2+、Mg2+、K+等的離子形成氯化物，使得水質(zhì)環(huán)境中的氯化物含量增高。在此情況下，我們通過DAS2mACL氯離子傳感器，采用膜式安倍法，有效檢測毒魚行為的發(fā)生。③呋喃丹等有機農(nóng)藥：呋喃丹等有機農(nóng)藥能夠直接將魚類和其他水生物毒死，它們的檢測主要依靠傳感器頭部的COD檢測設(shè)備配合線蟲培養(yǎng)裝置實現(xiàn)。一方面依賴于紫外吸收法COD測定技術(shù)實現(xiàn)快速檢測，這種方法在連續(xù)監(jiān)測領(lǐng)域效果顯著，另一方面依據(jù)呼吸作用檢測培養(yǎng)裝置中的線蟲活性，從而對農(nóng)藥成分進行二次確認，進一步保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3.3 電魚偵察。目前升級版的電魚設(shè)備輸出電壓可達上千伏，而電流通入水體后，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，會造成一定水域面積內(nèi)氧氣耗盡，造成水體真空，導(dǎo)致魚蝦、藻類、浮游生物等水生生物窒息死亡。

同時，電流通入水體也會導(dǎo)致水體電導(dǎo)率增加，為與化學(xué)藥物造成的含氧量下降的情景進行區(qū)別，我們選擇AMT-W400多參數(shù)水質(zhì)傳感器（組裝溶解氧傳感器及電導(dǎo)率傳感器）,分別通過熒光法、石墨電極法檢測水中溶氧量及電導(dǎo)率，將兩者數(shù)據(jù)綜合分析，共同作為電魚的判斷標(biāo)準(zhǔn)[5]。

2.3.4 炸魚偵察。非法炸魚時水中會產(chǎn)生較強的沖擊波，仿生魚群如果在非法炸魚引發(fā)的爆炸影響范圍內(nèi)，可通過水聲換能器檢測巨大爆炸聲，同時配合微型壓力傳感器對水波壓力值進行分析，從而排除噪聲干擾，以便準(zhǔn)確判定非法捕魚現(xiàn)象。

2.4 三段式追蹤設(shè)計

2.4.1 廣域探測階段。此階段終端節(jié)點間距離較遠，能夠排除個體誤差，抗噪聲能力較強。我們的目的是用盡可能少的路徑覆蓋最大的面積，提高發(fā)現(xiàn)非法捕魚現(xiàn)象的概率。因此我們根據(jù)河流流域的特點，綜合Z字形遍歷探測和Spiral 遍歷探測。

2.4.2 領(lǐng)航者模式下的煙羽追蹤階段。仿生魚傳感器檢測到異常數(shù)據(jù)時，根據(jù)歷史水流流向記錄，估計出該污染水流在到達仿生魚前可能會經(jīng)過的區(qū)域，非法捕魚源頭可能處于該路徑中任一位置。

根據(jù)當(dāng)前水流流向和污染路徑規(guī)劃一條搜索路徑，仿生魚群在領(lǐng)航者帶領(lǐng)下沿這條路徑進行搜索，并且躲避障礙，以走向最可能發(fā)生非法捕魚的區(qū)域。

2.4.3 污染源定位階段。仿生魚群不斷靠近污染源時，對于系統(tǒng)的靈活性要求越來越高，此時各個終端節(jié)點不再受到固定隊形/距離的束縛，充分發(fā)揮每個個體的溯源能力，以便更迅速、準(zhǔn)確的定位污染源位置[6]。

算法終止條件為：系統(tǒng)達到最大迭代次數(shù)或者魚群整體的位置和速度（最優(yōu)適應(yīng)值）達到穩(wěn)定，不再更新。 當(dāng)終止條件滿足，則停止迭代輸出結(jié)果，表示系統(tǒng)已完成非法捕魚追蹤，否則繼續(xù)運行，直至滿足停止條件。

3 社會效益預(yù)測

3.1 開拓水污染源頭追蹤在無線通信網(wǎng)絡(luò)的新領(lǐng)域

本項目在無線通信網(wǎng)絡(luò)方面的技術(shù)創(chuàng)新不僅提高了水污染源頭追蹤的工作效率，還突破了在復(fù)雜環(huán)境下構(gòu)建廣域移動物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)壁壘，彰顯我國技術(shù)水平，提升我國在高科技領(lǐng)域的地位，提高該項目的國際市場競爭力，成為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)建設(shè)中的重要推動力[7]。

3.2 突破有關(guān)非法捕魚檢測的技術(shù)壁壘

本系統(tǒng)作為行業(yè)開拓領(lǐng)先者，創(chuàng)新關(guān)于非法捕魚檢測功能的系統(tǒng)設(shè)備，突破以往單機巡航的技術(shù)壁壘，使得全水域面搜索得以實現(xiàn)；同時采用大規(guī)模組網(wǎng)多次突擊檢查，實現(xiàn)對非法捕魚行為的有效打擊。

3.3 順應(yīng)社會對環(huán)境保護方面意識加強的號召

隨著國家和社會對水產(chǎn)資源的重視程度的加深以及管理方面的加強，非法捕魚行為越來越引起社會關(guān)注，本項目為緩解非法捕魚現(xiàn)象提供了技術(shù)上的創(chuàng)新，符合國家戰(zhàn)略新興要求，在水產(chǎn)資源保護中有著十分重要的現(xiàn)實意義。

3.4 建設(shè)多領(lǐng)域發(fā)展的新型科研人才培養(yǎng)學(xué)科

本項目的實施，使得電子信息、計算機控制、水污染源頭探測技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科達成了深度合作，從而產(chǎn)生綜合電子信息、計算機控制、水污染源頭探測技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)處理研究為一體的新興交叉學(xué)科，也為此種培養(yǎng)全方位建設(shè)性人才提供了平臺和借鑒意義，可望進一步提升我國的國際科研地位。

4 結(jié)束語

本項目結(jié)合當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)時代的現(xiàn)實需求，面向非法捕魚行為以及由非法捕魚投放化學(xué)物質(zhì)或其他原因引起的突發(fā)性水污染問題檢測，構(gòu)建了基于LoRa的非法捕魚偵察與追蹤系統(tǒng)，挑戰(zhàn)了由非法捕魚現(xiàn)象復(fù)雜性、隱蔽性以及偵察追蹤工作的廣域性、及時性等要求所造成的技術(shù)難題，提升了面向復(fù)雜需求的追蹤技術(shù)的及時化、精準(zhǔn)化。

同時，本系統(tǒng)作為一種物聯(lián)網(wǎng)偵察方案，有助于將非法捕魚偵察向?qū)崟r化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的新型監(jiān)控模式轉(zhuǎn)變，力求減少人力、物力投入，提高工作效率。在未來，本系統(tǒng)或?qū)?yīng)用于國家漁業(yè)部門和環(huán)境監(jiān)測公司，成為提升我國非法捕魚行為檢測的技術(shù)和工具，為水產(chǎn)資源保護增添一份保障的同時，也有望取得一定的經(jīng)濟和社會效益。