海洋牧场环境要素自动采集系统的设计

张小波, 姜静波, 张立斌, 陈永华



海洋牧场环境要素自动采集系统的设计

张小波1, 姜静波2, 张立斌2, 陈永华2

(1. 国家海洋局北海海洋技术保障中心, 山东青岛 266033; 2. 中国科学院海洋研究所, 山东青岛 266071)

设计了一种适用于海洋牧场环境要素的自动采集方法, 可同步观测牧场海域气象数据与水质数据, 并实现各类数据的分类与存储。结果表明, 获取数据数值符合海洋牧场水质要素时间序列的变化规律, 能为海洋牧场防灾减灾预警提供有效的数据支持。

海洋牧场; 环境要素; 自动采集

目前, 国内的海洋牧场正处于蓬勃发展阶段, 各沿海省市建立了多个海洋牧场, 其中大部分牧场环境要素的监测还依靠传统的人工携带仪器乘船出海的调查方式来实现, 在数据获取效率及时间连续性方面存在明显不足[1-3]。本文立足于中国近海海洋牧场的环境要素综合观测需求, 提出了一种基于固定平台的海面气象与海水水质的综合自动观测方法, 为海洋牧场综合环境要素提供了可靠的监测手段。

1 方案设计

系统利用海上固定平台, 采用无人值守工作模式, 通过无线传输技术, 实现海洋牧场水面风、温、湿、压要素和海水温盐、浊度、溶解氧、叶绿素、pH值要素的远程无线传输, 岸站主机每10 min接收气象水质数据一次, 完成海洋牧场环境要素的自动采集。系统的组成与布局如图1所示。

海洋牧场环境要素自动采集系统主要有海面气象传感器、水质传感器、数据采集控制系统、供电系统、数据传输系统构成。

气象站选取美国R.M.YOUNG公司的风速风向传感器、温湿度传感器、气压传感器和降雨量传感器作为基本观测设备; 水质传感器选取美国YSI-EXO2综合水质仪, 可以同步采集水温、盐度、电导、密度、浊度、溶解氧、叶绿素和pH值等海洋牧场海域的水质要素; 数据采集系统由CR1000数据采集器和控制电路组成, 控制电路的继电器控制各传感器的上电与断电, CR1000顺序向各设备发送工作指令, 完成数据的采集; 供电系统由太阳能电池板、太阳能蓄电池组成, 二者通过太阳能控制器连接; 数据传输系统同步集成GPS、数据传输模块(date transfer unit, 简称DTU)等, 通过CDMA通信方式, 定时将采集到的环境数据实时传送至岸站。整套系统的电器框图如图2所示。

数据采集系统的主要工作流程功能如下: (1)数据采集系统接外部电源并同步给各气象设备和水质仪供电; (2)按固定采样间隔向各气象传感器和水质仪发送指令, 获取其数据, 叠加存储到采集系统的存储卡中; (3)通过指令将最近收到的一组完整数据发送到DTU中, 继而通过CDMA等无线传输网络传送到岸站终端; (4)岸站数据接收程序会将传回的数据解析后, 存入数据库并在计算机上呈现界面化显示。

2 系统设计

海洋牧场环境要素自动采集系统选取在牧场中的固定平台上布放, 考虑到工作环境恶劣并且能源紧缺, 设计时充分考虑了系统整体的低功耗特性。选取的气象传感器和水质传感器均采用电压输出信号模式, 降低其功耗, 众多设备中只有DTU在数据发射过程中较为耗电[4-6], 故选择通过受控开关控制DTU的通断电。系统中设置采样间隔为10 min, DTU向岸站发送的数据内容包括10 min内的平均风速、平均风向、最大风速、最大风速出现时间、最大风速对应风向、内平均温湿度、最大温湿度、最小温湿度、平均气压、最大气压、最小气压、降雨量等。为合理设计系统的电源, 将每台设备的功耗参数作如下统计, 如表1所示。

通过表1可以看出, 整个系统所集成的观测设备每日功耗为73.344 Wh。根据海上实际情况, 设计采用选择4块并联的12 V输出电压 200 Ah容量的太阳能胶体蓄电池, 通过充电控制器连接4块70 W的多晶硅太阳能电池板, 组成整个系统的供电单元。根据此种搭配方式, 即使无太阳能补充, 系统也可在蓄电池单独放电的情况下持续运行工作4个月。

岸站端为数据接收和显示终端, 主要实现对海洋牧场资源环境要素的实时监测、数据更新、历史数据查阅、历史趋势图绘制、自动预警等功能。选择Visual Studio C#开发工具编写数据库前端人机交互界面软件, 后端数据库工具选择SQLServer2010, 可实现气象、水质数据的海量存储。

表1 各用电设备功耗参数

在采集数据的过程中, 数据由CDMA网络传回到岸站主机端口, 完成解析入库, 并同步在主界面显示, 每10 min更新一次数据。数据库主要建立3个数据表, 一个为主表, 记录每组数据的编号和采集时间, 另两个主要的数据表分别记录海面气象数据和综合水质数据, 其具体数据描述如表2、表3所示。

表2 海洋牧场气象参数数据结构

通过仪表化的数据接收终端界面, 实时监测海洋牧场海面的风速风向、温度、湿度、气压和降雨等多个气象要素, 以及海水中水温、盐度、电导率、pH、溶解氧、叶绿素等水质信息, 方便工作人员及时掌握海洋牧场综合环境资料(图3、图4)。

3 应用

海洋牧场环境要素自动采集系统于2016年7月成功布放于唐山祥云湾海洋牧场, 该海域曾是渤海渔场生物重要繁育场之一, 随着越来越多工业项目落户环渤海地区, 水质环境曾经恶化, 近年来随着国家对海洋牧场建设的扶持和企业的投入, 其水质环境自2008年起正在逐步改善。该系统集成美国YSI-EXO2多参数水质仪和R.M.YOUNG专业自动气象站, 结合CDMA无线传输技术, 实现了海洋牧场的水质和气象参数的同步在线监测, 解决了目前海洋牧场环境要素实时数据长时间连续获取的技术难点。系统在海洋牧场实际生产和管理工作中的成功应用, 为牧场环境数据资料的积累提供了平台, 为工作人员的日常撒苗、捕捞作业提供了环境数据分析和安全预警, 对于控制海洋牧场自然灾害风险, 提高生产效益, 有实际的意义。

表3 海洋牧场水质参数数据结构

[1] 杨红生. 我国海洋牧场建设回顾与展望[J]. 水产学报, 2016, 40(7): 1133-1140. Yang Hongsheng. Construction of marine ranching in China: reviews and prospects[J]. Journal of Fisheries of China, 2016, 40(7): 1133-1140.

[2] 赵嘉, 李嘉晓. “蓝色粮仓”的内涵阐析及其建设设想——以青岛市为例[J]. 海洋科学, 2012, 36(8): 70-74. Zhao Jia, Li Jiaxiao. Elaborations on the concept of “blue granary” and its construction envision——with Qingdao as an example[J]. Marine Sciences, 2012, 36(8): 70-74.

[3] 李秀桥, 贾智平. 海洋监测系统实时数据采集及聚类分析的研究[J]. 计算机工程与应用, 2007, 43(25): 214-217. Li Xiuqiao, Jia Zhiping. Research on real-time data collection and clustering analysis in marine observation system[J]. Computer Engineering and Applications, 2007, 43(25): 214-217.

[4] 姜静波, 李安春. 东海陆架水文浊度要素自动采集系统设计[J]. 海洋科学, 2016, 40(8): 91-93. Jiang Jingbo, Li Anchun. Design for automatic collection of hydrology and turbidity samples on the East China Sea Shelf[J]. Marine Sicences, 2016, 40(8): 91-93.

[5] 武立波, 刘运胜, 刘学喆, 等. 海洋牧场远程监控投饵系统设计[J]. 渔业现代化, 2010, 37(2): 23-25. Wu Libo, Liu Yunsheng, Liu Xuezhe, et al. Design of feeding system with remote monitoring in marine ranching[J]. Fishery Modernization, 2010, 37(2): 23-25.

[6] 余心杰, 殷姣姣, 刘鹰, 等. 海水养殖多环境因子在线监测系统的设计与实现[J]. 海洋科学, 2013, 37(11): 48-53. Yu Xinjie, Yin Jiaojiao, Liu Ying, et al. Design and implementation of on-line multiple environmental factors monitoring system for mariculture[J]. Marine Sicences, 2013, 37(11): 48-53.

Automatic acquisition design for environmental factors of marine ranching

ZHANG Xiao-bo1, JIANG Jing-bo2, ZHANG Li-bin2, CHEN Yong-hua2

(1. North China Sea Marine Technical Support Center of State Oceanic Administration, Qingdao 266033, China; 2. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

A method for the automatic acquisition system for environmental factors of marine ranching is proposed in this paper. Meteorological data and water quality data of the sea area can be observed in real-time. The data obtained are consistent with the seasonal variation of water quality factors, and the method can provide effective data support for disaster prevention and mitigation of marine ranching.

marine ranching; environmental factors; data acquisition

(本文编辑: 刘珊珊)

May 30, 2017

[Foundation of the Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, the Chinese Academy of Sciences, No. KLMEES201305; Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No. DXA11020703]

TP212.9

A

1000-3096(2017)06-0061-04

10.11759/hykx20170503001

2017-05-03;

2017-05-11

中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室开放基金(KLMEES201305); 中国科学院战略性先导科技专项(A类)(DXA11020703)

张小波 (1979-), 男, 山东滨州人, 工程师, 主要从事海洋调查技术的研究, 电话: 0532-85761233, E-mail: zxb660@163.com; 姜静波(1979-), 通信作者, 男, 山东青岛人, 副研究员, 主要从事海洋环境监测仪器的研究, 电话: 0532-82898736, E-mail: jiangjingbo@qdio.ac.cn