深海网箱智能监控系统的设计与实现

严 谨 李江丰 黄 超 张大朋

（广东海洋大学，湛江 524088）

海洋占地球表面积的71%，是人类今后发展的重要资源。我国海洋资源极为丰富，并已将海洋相关产业的发展纳入重点规划项目。渔业是海洋生物资源开发利用的主要途径之一。作为占世界渔业养殖总产量70%的渔业大国，我国海水养殖将是解决粮食供给可持续发展问题的重要途径。目前，国外主要采用建设海洋牧场的方式来实现生态环保的养殖活动。它的主要特点是利用自然或人工布设的鱼礁作为天然养殖环境，投放人工培育的种苗，利用海洋中的天然饵料进行养殖。我国在辽宁、山东以及浙江等省份已经实现了规模化的海洋牧场，出现了獐子岛、威海以及连云港等多个成功的典型模式。但是，在养殖过程中，海水污染、天气温度以及海水盐分等变化都会导致鱼类死亡，因此实现对养殖区环境的实时监控是深海网箱养殖不容忽视的重要环节[1]。因此，建立一个能够收集和处理不同深度水文水质立体信息、能够提供实时水下视频、能够存储和分析海洋牧场各类信息的网络系统，将是海洋牧场发展的主要趋势。

深海网箱智能监控系统是一种成熟的基于公共信息平台的智能监控系统，采用了典型物联网的4层架构。感知层用于收集海洋牧场数据，并由传输层将数据汇总至岸基数据库。采集的各类环境数据与历史统计数据、生物特征数据、科研实验数据等其他来源数据在数据库中共同形成纵横相关的大数据，最后由服务层中的专家系统进行分析，在监控中心实时获得监测参数，方便了渔民或者研究人员观察各个监测点水质数据变化，并实现对养殖区环境的控制[2]。

1 系统结构与功能

深海网箱智能监控系统硬件由定点渔情监控系统、移动环境监控系统和数据中心服务器组成。定点渔情监控系统部署于海上，可搭载水下摄像机/照明灯、水质传感器等各类信息感知与采集单元，同时配备有现场控制器、设备控制器等数据预处理和动作执行模块，实现融合采集、处理以及控制的智能节点功能。渔情监控系统收集的数据经由数据中心传递到移动环境监控系统，使得用户可以随时通过环境监控设备收集海洋牧场的各类数据信息，以便分析当前环境状态是否出现水体污染和是否适合养殖鱼类。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

2 智能监控系统的组成

2.1 云台式水上摄像机

云台式水上摄像机如图2所示，采用1 080 P高清变焦数字摄像机，配备360°旋转云台和照明灯，可有效监控网箱周围环境。摄像机具备20倍光学变焦，可清晰观察远近目标，拥有150 m红外阵列，确保日夜和不良天气条件下的不间断监控。设备整体达到了IP66防护水平，能够在海上长期稳定工作。

图2 云台式水上摄像机

2.2 定点式水下摄像机和照明灯

图3为定点式水下摄像机。它的电子部分选用1 080 P高清数字摄像机，定焦镜头，可达到实时高清数字视频的采集和输出。结构部分选用316L不锈钢水密外壳，标准版工作深度50 m（最大可定制深度2 000 m）。照明灯选用进口高亮度发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）制作，功率为10 W，亮度为900 lx。结构部分选用316L不锈钢水密外壳，标准版工作深度50 m（最大可定制深度2 000 m）。如果用户需要，可定制带有调光功能的大功率照明灯（50 W）。常规的在线海洋环境监控系统只有水文水质数据而没有对应生态状况的信息，无法研究不同环境条件下的短期生态发展规律（这方面的研究一般在试验室条件下进行，与实际海洋环境存在一定差异）。本系统中的高清水下摄像机及照明灯为海洋牧场水下监控提供了重要的视频信息，使有关的水文水质数据与实际生态状况产生了客观联系，为多源数据融合提供了依据。同时，视频信息的引入实现了自动化生物量调查、在线病害诊断等服务。

图3 定点式水下摄像机

2.3 水质传感器

水温、pH值、盐度（电导率）以及溶氧等各类水文水质传感器，通过RS-485将测量值传入现场计算机。水质传感器作为传统海洋环境监控系统的重要组成部分之一，已有较为广泛的应用。目前，比较常用的均为进口传感器，采购成本较高，不适于大量、密集部署，且维修维护不便。本系统兼顾进口与国产传感器，在有限的成本下实现尽可能大的部署范围和适当的测量精度。图4为水质传感器。

图4 水质传感器

2.4 北斗定位系统

为保障浮体、浮式平台的安全，方案采用和芯星通的UM220北斗定位系统确定设备位置。此模块为北斗全球定位系统（Global Positioning System，GPS）双模结构，支持网络增强卫星定位系统（Assisted-Global Navigation Satellite System，A-GNSS）、差分全球导航卫星系统（Diあerential-Global Navigation Satellite System，D-GNSS）及惯性导航。既可工作在纯北斗定位模式下，也可利用GPS信号联合定位，提高精度，可为系统提供实时位置信息，监控平台的移动情况。

2.5 现场控制器

现场控制器用于从传感器采集数据，并发往数据中心。若数据链中断，可将所有数据暂存在本地。设备控制器还可控制水下机器人、照明灯以及投饵机等设备的运行。

2.6 太阳能电池系统

系统配备一组200 W太阳能电池板和铅酸蓄电池组，用于系统供电。蓄电池系统可确保系统96 h供电。

2.7 远距离无线高速数据传输设备

远距离无线高速数据传输设备用于将收集的视频、水质以及水文等数据传回数据中心，并接收数据中心的指令。数据传输设备选用5.8 GHz高速网桥、海上使用扇区天线以及陆地配抛物面定向天线，可达到5 km以上的数据传输能力和300 Mb·s-1的传输速率。

2.8 监控设备

方案采用1台数据采集服务器和1台硬盘录像机的简化结构。各监测点通过无线传输系统联入数据采集服务器。数据存入数据采集服务器，视频存入硬盘录像机，并通过视频与门户服务和防火墙向外网用户提供展示、搜索、查看、分析以及控制等功能。内网用户也能通过计算机获取整个系统的运行状况和实时数据，并控制各类监控设备的运行。数据采集传输图见图5。

图5 数据采集传输图

2.9 牧场实时数据库

此数据库主要包含海洋牧场监控平台采集的各类水文、水质以及视频等数据，是整个系统实现增值服务的源头数据。

2.10 监控平台数据库

此数据库包含海洋牧场布设的监控平台信息，主要涉及坐标、配置、维护记录以及故障数据等内容，用于评估整个监控网络的运转状态。

3 系统安装和调试运行

3.1 安装平台

系统的定点渔情监控系统将在港口内安装在浮体上，装配和调试后放入网箱，利用绳索交叉固定在网箱中央。水下支架悬吊在水体下层。部署时需要注意水下支架的电缆应留有足够长度，以适应潮差和避让锚缆。施工船只应具备3 t以上的吊装能力。

3.2 组装调试过程

监控平台各模块在部署前已进行单独测试和联网调试。部署到位后，先进行供电系统测试，然后建立远程通信并测试带宽，随后逐一接入各模块并完成分项调试。监控平台测试一周后，岸上中控室确认调试数据库内各数据正常后，即可接入在线系统，并网运行。

3.3 软件运行

并网运行后，在计算机终端输入账号密码登录网站，即可远程监控深海网箱的具体情况，通过视频监控设备可观察到网箱养殖鱼类的数量、生长状况以及健康状况等。

4 系统水质数据采集分析

本文设计深海网箱智能监控系统的监控终端[3]，通过深海网箱智能监控系统对海洋水质水温、pH值、溶解氧以及盐度4项水质数据进行监控和分析，了解水温、pH值、溶解氧和盐度4种参数对网箱养殖的作用以及对鱼类生长状况的影响，实现水质参数检测。经验证，系统运行稳定，测量结果准确可靠[4]。

4.1 水温

由图6可知：每天的水温变化幅度不大，一般在1～2 ℃；最近15 d最低水温为30.9 ℃，最高水温为34.0 ℃。每天温度变化较大的有4个极值点，水温出现极值点的时间段一般为每天的07：30左右出现最低温度，之后温度逐渐升高，到下午17：00左右出现最高温度，接着温度迅速下降，21：30左右至第二天02：30左右，温度趋于平缓，如图7所示为1 d内水温变化情况。

图6 15 d内水温变化情况

图7 1 d内水温变化情况

4.2 pH值

如图8所示，深海网箱所在海域的pH值变化幅度较小，15 d内最低为7.9，最高为8.3，属于适合鱼类生长的pH值区间。如果pH值突然变化，一般伴随着当地环境会出现重大污染的情况，在自然环境中一般不会出现这种情况。历史数据的折线图反映了这段时间内的pH变化趋势，阈值处可以设置pH区间。合理的范围设置有利于及时发现异常情况，以便预防和处理。

图8 15 d内pH值变化情况

4.3 溶解氧浓度

大气中的游离氧能够溶入海水，海水中的溶解氧能够逸入大气。在海-气界面上的这种交换，通常处于平衡状态，因此海水中氧的消耗可以从大气得到补充。海水中溶解氧的含量是海水化学的重要参数之一，也是海水水质的重要指标。它主要来源于大气的溶解和海洋中藻类及浮游植物光合作用的释放。海洋动物的呼吸作用、生物尸体及生物排泄物的分解、海水中其他有机化学物质的氧化皆消耗溶解氧。被污染的海水溶解氧含量较天然海水低，甚至完全缺氧。海水中溶解氧含量与海水的温度、盐度有密切关系。水温、盐度升高，溶解氧含量下降；水温、盐度下降，溶解氧含量上升。此外，气温过高、养殖密度过大及藻类大量生长繁殖，都会导致溶解氧浓度降低。如图9所示，网箱水体中溶解氧值随时间推移下降幅度较大，15 d内从一开始最高的10.88 mg·L-1变化到最低的0.91 mg·L-1。从图10可以看出，网箱内藻类大量生长繁殖，可能是溶解氧低于正常值的原因。正常情况下，溶解氧低于3.00 mg·L-1时鱼类已经开始死亡。但是，根据视频情况来看，箱内石斑鱼仍然正常活动。出现这种现象的原因可能是藻类附着在溶解氧传感器上，密集的呼吸作用消耗了传感器附近的溶解氧，造成溶解氧浓度的局部降低，而网箱内水体的溶解氧整体处于正常范围。

图9 15 d内溶解氧值变化情况

图10 网箱附近的藻类图

4.4 盐度

海水盐度因海域所处纬度位置不同而有差异，主要受纬度、河流、入海径流以及洋流等的影响，一般海水的平均盐度为35‰。在外海或大洋，影响盐度的因素主要有降水、蒸发等；在近岸地区，盐度则主要受河川径流的影响。从低纬度到高纬度，海水盐度的高低主要取决于蒸发量和降水量之差。蒸发量使海水浓缩，降水使海水稀释。有河流注入的海区，海水盐度一般较低。大洋中海水中的盐度一般保持不变，近海内范围变化较大，15 d内最低为28‰，最高为31.7‰，如图11所示。盐度处于正常范围，适合鱼类生长。

图11 15 d内盐度变化情况

4.5 结果与分析

监控设备的历史数据中：水温变化正常；pH值与盐度变化范围很小，影响不大；溶解氧含量逐步降低，可能由水藻繁殖引起，导致传感器附近含氧量降低，需及时清洗设备。基于物联网技术设计深海网箱智能监控系统[5]，通过监控设备全面管理和监测养殖环境，并结合实际项目验证其性能，证明其具有高数据采集准确性和高数据传输稳定性。凭借智能监控设备，养殖户可以更加方便地管理养殖生产，可以实时查看水环境状态，便于第一时间处理异常情况，减少饲料浪费和环境污染，为安全、绿色、高质量的水产品生产提供保障，符合深远海养殖的发展趋势[6-7]。

5 结语

本文主要论述深海网箱智能监控系统的设计与实现，通过监控系统可方便、快速地实现网箱养殖信息的远距离无线传输，为解决网箱中温度和水质数据采样记录以及数据的远程实时传输提供了一种可行性方法。当环境参数超出设定的阈值范围时，可通过计算机终端及时获知数据的变化，进而对可能出现的问题进行预防控制和处理。此系统大大减轻了人员的工作量，提高了生产效益和经济效益。目前，该系统已经在湛江国联南三岛养殖区进行了试验，测量数据准确，应用效果良好，具有很高的应用价值。