典型海岛生态环境物联网信息感知及传输技术

李彩 , 张振昭 曹文熙 蔡梓枫 张现清

1. 热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所), 广东 广州 510301;

2. 南方海洋科学与工程广东省实验室, 广东 广州 511458;

3. 中国科学院大学, 北京 100049;

4. 中国科学院南海生态环境工程创新研究院, 广东 广州 510301

物联网(Internet of things, IoT)正在跨越我们生活的许多领域并不断地改变着我们的世界(Kim et al, 2019)。物联网技术在海洋生态环境中的应用可以实现海洋资源共享、海洋活动协同, 为海洋智慧管控、准确预警及海洋资源科学利用和保护提供结构完整的智慧数据库(陈作聪, 2015; 郭忠文 等, 2018; 姜晓轶 等, 2019)。在海洋生态环境保护、修复以及海洋牧场及蓝色经济的快速推进和健康发展等方面越来越受到重视(李新 等, 2016; 周洋 等, 2017)。

海岛生态物联网(Island ecological internet of things, IEIOT) 是将物联网技术应用于海岛生态系统的监测, 以典型海岛周边水体生态环境信息的多节点长时间序列智慧感知、信息的物联网传输、大数据清洗、存储、智慧分类、综合应用分析为核心, 以海岛生态环境健康评估、政府决策与预警服务为出口的综合性技术与窗口(常立侠 等, 2019), 是掌握海岛生态系统在长期自然和人为干扰下的变化规律、机制和生态安全状况, 为政策制定提供科学依据、为海岛生态学等科学研究提供重要支撑的基础信息网络。

随着蓝色经济飞速推进, 海岛及其附近水域生态环境系统遭到破坏, 珊瑚等典型生物受损, 亟待修复和保护。本文基于国家对典型海岛生态修复同步监测需求提出, 结合海岛自然及人文环境特点, 重点就海岛生态环境监测物联网智慧感知及信息传输等核心技术展开研究。当前, 利用物联网技术开展海岛生态系统的研究较少。希望本文相关技术解决方案能为海岛及海洋生态环境监测物联网技术的发展提供参考。

1 典型海岛生态物联网建设性需求及总体技术框架

近年来受人类活动及自然环境影响, 珠海庙湾岛周边珊瑚礁严重受损, 生态物联网建设是基于上述海岛的两个典型节点(下风湾和权松尾湾)珊瑚修复区监控需求提出, 在下风湾和权松尾湾珊瑚修复区构建水下原位感知节点, 同步在岛陆构建土壤和气象在线感知节点, 通过对生态环境的综合感知及智慧管控来评估珊瑚修复状态以及周边水质、气象 和土壤环境的健康状况及其对珊瑚等典型生态系统的作用和影响。庙湾岛目前为无人居住岛, 供电及岸基中转站防护能力受限, 基于此, 本文提出了如图1 所示无人居住海岛生态物联网总体构架, 主要包括不同节点生态环境感知传感、无线/有线远、近距离物联网大容量信息传输、岸基供电及信息融合中转、远程服务器终端的遥控及信息接收、清洗、分类存储、数据挖掘、信息分发服务及生态环境健康评价等技术模块。本文重点对海岛生态环境监测物联网信息感知及传输技术等海岛物联网共性关键技术进行研究, 应用服务终端作为下一步的重点研究内容将在各个节点建设完备并实现常态化监控的基础上结合感知结果、用户需求等作进一步的精细化研究。

2 监测要素及感知技术

2.1 监测要素

节点感知传感器主要有: 水质监测传感器[化学需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)、溶解氧(DO)、浊度(TUB)、总磷(TP)、总氮(TN)], 水文传感器[pH、温盐深(CTD)、流速、流向、潮位等], 生态传感器[光合有效辐射(PAR)、叶绿素a 等], 水下高清视频单元, 土壤温湿度, 地表径流及气象传感器(温度、湿度、风速风向、气压等)等。

为了获取珊瑚生长状况及海岛特点, 海底生境感知节点均配设有高清视频摄像单元, 可实时监测岛礁珊瑚、鱼类及其他生境参数的变化。除此之外, 两个海底节点根据其地理及人文环境特点, 关注的参数也有所不同, 如: 下风湾作为庙湾岛的著名旅游景点, 陆源污染物排放量对水环境影响较大, 因此该节点除了配制CTD、COD、DO、TUB、叶绿素a、PAR 以及流速流向等传感器之外, 还增设了总氮总磷传感器。岛陆土壤环境重点监测土壤温湿度以及地表径流等, 海岛气象节点则主要观测风速风向、温湿度、气压等。对于海底原位感知传感器, 长时间序列感知必然涉及到传感器的防污染能力, 它是确保仪器有效维护周期的一项关键技术, 在本系统中, 所有基于光学原理的传感器探测窗口均配置了自主研发的多适应性防污染清洁装置, 除此之外, 对湿化学传感器及其他水质水文传感器, 通过红铜包裹进样口等核心组件来提高其防污染的能力(曹文熙 等, 2018)。所有传感器安装在如图2 所示的座底平台长期布放在海底。

图1 海岛生态环境物联网总体构架 Fig. 1 The overall framework of the ecological and environmental Internet of things

图2 传感器海底安装平台 Fig. 2 Platform of underwater sensors

2.2 传感器数据采集控制技术

传感器数据采集及传输控制系统主要用于控制各个传感器工作过程、实时采集其感知信息并基于局域网传输至岸基中继站再经无线广域网转发至远程服务器。监测信息涵盖高清视频流、叶绿素质量浓度、溶解氧、浊度、耗氧量、流速流向等水质水文传感器的ASCⅡ数据等。为便于信息的独立管控、提高传感器数据采集控制技术的灵活性和通用性, 对于布放于海底的生境原位感知系统, 其数据采集系统总体上分为4 大模块: 视频采集模块、水质水文数据采集及控制模块、网络交换机、工作电压转换及供电控制模块, 设计原理及实物如图2 所示。

图3 数据采集系统原理框图(a)及实物图(b) Fig. 3 The principle diagram and physical diagram of data acquisition system

为实现多个功能模块、多接口智能控制, 数据采集及控制模块采用低功耗32 位ARM 芯片作为CPU。图3 所示框图中, 高清摄像单元不少于2 个, 为确保水下长时间序列监测的有效性以及夜间及光照条件不充分情况下视频摄像的清晰度, 每个高清摄像单元由3 部分组成: 高清视频摄像头、照明光源及光学窗口防污染清洁装置。为便于远程工作控制及管理, 视频摄像单元及水质水文传感器模块的 供电均由岸基中继站直接控制, 视频摄像单元的视频流直接通过交换机上传至岸基中继站。数据采集及控制模块主要用于水质水文及生态参数原位采集及传输控制, 数据采集及控制模块与水质水文及生态参数传感器之间基于RS232 通讯, 与岸基中继站之间基于RJ45 通讯。为了提高数据采集及控制模块的可扩展性和通用性, 板载接口包括: RJ45、RS232、RS485、SPI、I2C、I/O 位控等, 其中RS232 接口不少于8 个, RJ45 接口不少于2 个, I/O 预留不少于16个, 控制板上同时基于ARM 内部的ADC 设计有不少于8 路12 位A/D 转换输入端, 用于供电能力监控等辅助功能的实现。

3 物联网数据传输技术

数据传输技术是物联网的关键技术。数据传输包括感知节点与岸基中继站之间的数据传输、岸基中继站与远程实验室终端服务器之间以及感知节点与远程实验室终端服务器之间的数据传输。

3.1 节点与岸基中继站之间数据信息传输技术

与中继站之间进行数据信息交换的感知节点主要包括两个海底原位生境视频及水质水文参数监控节点和岛陆土壤及气象观测节点(图1)。岛陆土壤气象节点与岸基信息中继站之间通讯相对简单, 主要基于RS232 短距离有线数据传输, 在此主要介绍海底感知节点与岸基中继站之间近距离大容量数据信息的实时传输。

海底原位生境视频及水质水文生态参数监控节点需要传输的数据信息包括高清视频信息流以及水质水文生态数据, 其中, 大容量视频信息流的可靠传输是海底原位监控节点构建过程中必须解决的一个技术难题。目前对于海底大容量高清视频信息的传输一般有光纤(传输距离远、建设及维护成本高)、双绞线(建设及维护成本低、传输距离受限)和同轴电缆(建设及维护成本较高、传输距离受限)等。综合考虑上述通讯介质的优缺点, 根据海岛生态环境原位视频监控系统布放位置离岸距离(不超过800m)及水深(不超过10m), 物联网建设中将利用双绞线配合信号中继放大器(图4), 实现1.0km 范围大容量视频信息宽带传输技术。图4a 为海底感知节点与岸基站之间通讯链路构建方案, 图4b 为室内模拟测试结果。信号中继放大器的传输速度为1Gbps, 最远传输距离可达 2km, 测试所用电缆为超五类双绞线, 测试结果表明基于双绞线和信号中继放大器的通讯带宽随通讯距离基本呈线性衰减, 在1km 通讯距离范围内, 双绞线通讯带宽不低于 28M, 因所选用1080P 高清视频摄像头的视频码流不高于 6.5M, 因此, 经中继器放大后的双绞线通讯完全可以满足4 路以内高清视频流在1km 范围内的无失真可靠传输。

图4 基于双绞线大容量信息通讯原理(a)及可靠性试验(b) Fig. 4 The principle and reliability test of large capacity information communication technology based on twisted- pair wires

良好的通讯协议及握手信号是配合硬件实现数据信息可靠传输的软保障。本系统中, 为便于区别感知传感器类型, 通讯协议规定每帧数据由数据头、指令类型、数据长度、数据、校验位以及数据尾组成, 如图5。其中数据头定义为B0H、B1H, 数据尾定义为B2H、B3H、B4H、B5H, 参数类型、数据长度以及数据检验均为低位在前高位在后。指令类型共计两个字节, 其中高位字节取值00H 和FFH, 00H 为从传感器读取数据, 例如0001H 是从传感器EXO2 读取数据; FF 为发送控制指令给传感器内部CPU, 例如FF00H 时, 发送数据采集模块串口配置参数, 此时, 数据共5 个字节, 第一个字节指定第N 个串口, 后面四个字节为波特率大小, 最大115200。FFFFH 定义为数据采集模块网络配置数据, 若需要配置模块IP 地址为: 192.168.89.100, 端口: 50000, 子网掩码: 255.255.255.0, 网关: 192.168.89.1, 则发送内容如下: C0 A8 59 64 50 C3 FF FF FF 00 C0 A8 59 01。数据校验码生成规则为数据头、指令类型、数据长度、数据的和相加, 再取反加1 的结果。

图5 节点与岸基中继站通讯协议 Fig. 5 The communication protocol between sensor node and shore-based relay station

3.2 节点及岸基中继站与远程终端服务器之间数据信息传输技术

如图1 所示, 远程实验室服务器终端接收来自岸基中继站的数据信息, 岸基中继站(庙湾岛)与实验室服务器(广州)之间的通信属于远距离大容量通信。远距离信息传输媒介主要有5G、4G、海事卫星通信以及铱星通信等, 经实地考察, 庙湾岛仅有中国移动4G 信号, 基于原位监控视频信息流的特点及信息传输实时性要求, 综合考虑性价比, 选用移动4G 通信。因各节点传输信息量主要集中在视频流, 按照每次定点开机每个视频摄像头采集3min 约160MB, 共计2 个摄像头、4G 宽带平均上行速率500kbps 进行估算, 完成3min 视频流远程传输平均耗时约10min 左右, 可以满足信息传输实时性的要求。

4 岸基中继站

岸基中继站是海岛生态环境监测信息的“接力及中转站”, 同时也是海岛生态环境监控监测系统的在线“指挥中心”, 岸基中继站主要用于海底原位监控节点和岛陆土壤气象观测节点定点开关机工作控制、来自感知节点信息接收、缓冲、转发及远程实验室终端服务器遥控指令(具体包括开机时间、传感器工作时长等关键参数的更改和设定)的接收和实施。图6 所示为岸基中继站硬件结构及其实物图, 其中的核心组成部分主要有中继站CPU、远程无线通讯路由器、供电遥控模块、信号中继放大器以及供电电池组等。

4.1 传感器的供电技术

供电方式必须以海岛现有条件为基础, 拟构建海岛无民用电力供应, 因此设计采用太阳能电池与蓄电池联合供电的方式为各个感知节点以及岸基中继站供电。在正常情况下, 太阳能电池给蓄电池充电, 并提供电能给各节点和岸基站, 当遇到阴雨天, 太阳能供电不足时, 改由蓄电池供电。为节约用电, 各节点传感器、数据采集系统及岸基站等都采用间歇式定时工作模式。考虑有限电能的合理高效使用, 同时为了灵活控制各节点感知系统的工作频率、时长以及获取的参数, 中继站设计时充分利用实验室终端服务器远程遥控岸基供电遥控模块启动中继站CPU 及各节点供电, 特别对于海底感知节点, 供电方式选择从岸站布设电缆供电, 因岸基蓄电池与太阳能电池板结合提供24V 直流电, 为配合电能海底输送宽动态缆上损耗, 先利用DC/DC 将24V 升压至100V 以上再进行海底输送(图6b), 同时海底感知节点适配宽动态范围DC/DC 模块将其转换为系统所需24VDC (图3)。

4.2 中继站工作控制

岸基中继站采用研华无风扇微小型嵌入式工控机EBC-1122 作为主控系统(CPU), 其板载RS232、USB、RJ45 等多种通讯接口, 可工作于–20～60℃范围内, 体积小、功耗低, 支持硬件来电开机, 可集成度高, 非常适合用作无人值守岸基中继站CPU, 如图6 所示。中继站的功能主要有: 1) 供电遥控开关模块全天候待机等待接收远程服务器指令或启动板载定时开机功能, 供电遥控开关通过接收远程开机指令或定时启动板载时钟中断控制EBC-1122 及各感知节点上电, 进入节点工作控制、信息接收、仪器工作状态监控以及信息流的融合及远程转发; 2) EBC-1122 开机工作阶段实时查询并接收远程服务器指令并根据指令控制选停或启动节点传感器工作; 3) EBC-1122 板载256G 固态硬盘实时暂存节点数据, 按照每天工作6 次, 每次开机工作3min, 每次数据320M 估算, 至少可满足3 个月的数据存储; 4) 工作结束后, 供电遥控开关控制关断EBC-1122 及感知节点工作电源, 遥控开关模块进入待机状态。

图6 岸基中继站供电及控制系统设计原理(a)及实物结构(b、c) b. 岸基中继站CPU 及供电遥控模块; c. 岸基中继站供电及充电模块 Fig. 6 Design principle and physical structure of power supply and control system of shore-based relay station

5 实验室服务器终端大数据业务系统

实验室服务器终端大数据业务系统的功能主要包括: 1) 远程控制供电遥控开关的定时启动与关闭, 测试网络开关功能; 2) 接收并实时展示岸基中继站转发的数据文件; 3) 根据过滤条件清洗及分类存储文件, 提供查找数据和导出操作。终端服务器为一台10TB 硬盘、32GECC 内存的工业服务器, 满足数据的处理、展示、储存及后续大数据业务化运行。服务器通过远程发送开机时间的方式对岸基站的电源供给进行灵活控制; 获取当前已连接的网络开关状态对其进行功能测试; 接收、储存、处理并展示实时接收文件及信息; 通过比较岸基站文件的MD5 的值与本地相应文件的MD5 值验证服务器接收文件与中继站文件的一致性来验证接收数据的可靠性, 若出现不一致, 则根据指定查询条件, 通过数据查询过滤数据内容。图7 为服务器终端工作流程图。

6 系统联调及性能测试

目前, 各节点信息感知、物联网信息传输、远程服务器终端功能以及整套海岛生态环境物联网信 息感知及传输系统已完成室内联调及现场性能测试, 图8 为其中一节点室内联调及服务器终端实时信息接收及管理结果, 系统已在实验室无故障运行30d 以上。2020 年6 月3 日至6 日在惠州湾开展为期4d 的原位测试试验, 验证了传感器原位监测的可行性以及远程物联网信息传输的可靠性, 整套系统运行稳定, 图9 所示为连续4d 各水环境感知传感器实测信息展示。实验室终端实时接收视频如图10 所示。2020 年7 月中旬将开展现场构建及示范应用, 为下风湾和全松尾湾珊瑚修复及健康评价提供实时监测。

图7 服务器工作流程图 Fig.7 The software flowchart of terminal server

7 结束语

基于庙湾岛典型海岛珊瑚修复需求, 结合海岛地理及人文环境, 研发典型海岛生态环境物联网技术, 重点就物联网各节点感知技术、物联网通讯技术、岸基信息中继控制技术及远程服务器控制和信息管理技术展开研究, 室内试验结果表明, 各节点感知可靠、信息传输及服务器远程遥控安全。本文所述海岛生态环境物联网信息感知及传输技术可为海岛及海洋生态环境物联网及智慧海洋建设过程中节点感知、通讯供电及遥测遥控提供较为详尽的技术参考。

图8 服务器终端实测数据信息记录 Fig. 8 Information recording in terminal server

图9 时间序列现场测试数据 a～l 依次为流向、流速、pH、温度、光合有效辐射、生物需氧量、化学需氧量、溶解氧、盐度、藻蓝蛋白质量浓度、浊度、叶绿素a质量浓度时间序列变化趋势 Fig. 9 Time series of in-situ test data recording in terminal server (from Fig. 9a to Fig. 9l: the changes of hydrology and water quality data (flow direction, flow velocity, pH, ocean temperature, PAR, BOD, COD, DO, salinity, phycocyanin, turbidity and chlorophyll a) with time

图10 终端服务器接收记录的实时视频信息 Fig. 10 In-situ video Information recording in terminal server