基于小型无人船的海洋养殖环境监测系统设计

第45卷第3期 渔业现代化Vol .45 No .32018 年 6 月FISHERY MODERNIZATION Jun . 2018DOI : 10. 3969/j . issn . 1007-9580. 2018. 03. 004基于小型无人船的海洋养殖环境监测系统设计刘培学，刘纪新，姜宝华，陈玉杰(青岛黄海学院机电工程学院，山东青岛266427)摘要：为实现大规模海水养殖过程中养殖环境的动态移动采集、数据无线传输及结果的远程监控，设计了一 种基于第4代移动通信(4G )、长距离无线通信（Lora )、遗传算法的小型无人船海洋养殖环境监测系统。

该 系统以小型无人船为载体，以STM 32为控制核心，以4G 、L o ra 为数据无线传输手段，岸基电脑（P C 机）或云 平台为上位机，通过搭载遗传算法，依据上位机给出的巡检坐标，自动完成区域内海水养殖环境巡检及数据 上传，用户可通过浏览器、手机等手段进行数据查看。

结果显示：pH 、溶氧传感器采集的数据与标定仪器测 量数据具有较高的一致性，温度最高偏差为0.5 T ：，行驶距离较未优化前有大幅度下降。

研究表明：该系统 准确性、稳定性良好，方便易用，具有一定理论及应用价值。

关键词：海洋养殖环境;无人船;无线传输;环境监测中图分类号:TN 915.4 文献标志码:A 文章编号:1007 -9580(2018)03 -022 -06溶氧（DO )、PH 、氨氮、温度等参数对海水养 殖鱼类、贝类生长具有至关重要的作用[14]。

近 年来，海参、鲍鱼等海洋养殖产业逐渐规模化和集 约化。

为了追求经济效益，养殖密度不断加大，导 致了海洋养殖水质环境的恶化，影响到了养殖生 物的生长发育，病害时有发生，养殖户经济效益受 损，且养殖区域需人员长期驻守，浪费大量人力、物力、财力[^6]。

基于此，海洋养殖自动化监控系 统的研究逐渐兴起。

随着传感器技术及嵌入式系统技术的发展，对海洋养殖环境参数如pH 、温度、溶氧等进行自动化监控提供了可能。

目前，海水 养殖自动监控系统自动化程度较低，存在着有线 检测布线复杂、监测点不易移动、数据传输速率 慢、客户端/服务器（C /S )架构设备价值较高以及 采集点过于单一等问题。

研究适合大规模 养殖、能够进行移动监测以及数据可远程查看的 海水养殖监控系统具有重要的实际意义[11]。

本研究基于小型无人船结合长距离无线通信 (Lom )、第4代移动通信(4G )传输模块，设计了一种移动浏览器/服务器（B /S )架构的海洋养殖监测系统，该系统能够自动巡检养殖区域内水质 参数，并将采集的数据储存到云端，终端用户通过 浏览器就可以查询观测养殖场的监测数据，方便收稿日期=2018-03-28基金项目：山东省重点研发计划(2017GGX 201004);山东省髙等学校科技计划项目（J 16LN ：75，J 16LN ：78，JHKB 152)作者简介:刘培学（1983—），男，副教授，硕士，研究方向:嵌入式系统应用、信号与信息处理等。

E -mail :93987898@qq . com易用，且动态采集多点信息，使监控更加精细化。

1系统架构系统整体架构如图1所示，分为采集终端、云端和客户端三部分。

采集终端为携带有传感器及 信号传输设备的小型无人船，云端包含带数据库的服务器，客户端为岸基电脑（P C 机）或用户 手机。

携带有传感器及信号传输设备的无人船图1系统整体结构图Fig . 1 System overall structurediagram第3期刘培学等:基于小型无人船的海洋养殖环境监测系统设计23首先，云平台或客户端给出采集点坐标，无人 船根据给出的采集点信息，自动规划路径，按照规 划的路径形式，依次采集各个采集点的信息，包含 pH、温度、溶氧等。

采集完成后，无人船通过4G 网络上传至云平台，云平台完成信息的接收及存 储，同时向无人船发送确认信息，通过握手确保传 输信息的可靠性。

若4G网络不存在，无人船通 过Lom无线通信方式将信息传至现场P C机;若 存在Internet网路，可通过安装在P C机的软件将 信息上传至云平台。

同时，客户端P C机或手机 可通过数据网络浏览采集数据，接收报警信息等。

2硬件设计海洋养殖环境采集的信息一般有温度、pH、溶氧等，主要完成指定区域的海水参数采集。

整 个监测系统的硬件部分主要安装在无人船上，分 为传感部分及通信部分。

2.1传感器设计传感器设计如图2所示，整个传感器系统由 控制器、pH传感器、溶氧传感器、温度传感器、时 钟模块构成。

图2传感器系统结构体检测范围为〇〜14,该传感器工作温度范围为-10 1〜+50 1，其输出为模拟电压量，具有良 好的线性，因此其输出需接到STM32本身自带 AD，采集的结果用公式（1)计算，Z为采集的模拟 电压值，F为输出PH[16]。

7 = - 5.964 7 X + 22. 255 (1)溶氧传感器采用LDO工业在线荧光溶氧传 感器，该传感器采用荧光检测技术，通过检测荧光 强度和寿命来检测溶氧值，较之传统的电化学传 感器，该传感器在测试过程中不消耗氧气，没有搅 拌和控制流速过程，不需要电解质溶液，也不需要 标定，使用方便[1>18]。

该传感器防护等级可达 IP68,工作电压为宽电压5〜16 V，输出信号为4〜2〇MA电流信号或0〜5 V电压信号，分辨力为 0.01 m g/L。

本设计中采用0〜5 V电压信号，信 号输出接入STM32自身携带AD转换电路。

2.2通信电路设计本设计有两种通信方式，一种为无人船通过 4G网络信号将信息传至云平台，另一种为4G信 号不存在时，通过Lom将信息传至本地监控PC，因此，无人船携带的通信设备有2种。

通信系统 设计如图3所示，整个通信系统由控制器、4G模 块及Lom模块构成。

Fig.2 Sensor system structure图3通信系统结构图无人船的控制核心为STM32 F103ZET6微控 制器，该微控制器是由瑞士 ST(意法半导体)公司 研发的STM32系列中的一种32位处理器，具有 256 K的程序存储器和64 k B的数据存储器，完全 能够满足本设计需要[12_14]。

温度传感器选用防 水性数字温度传感器18B20,该传感器采用一线 制通信，提供数字温度信号，除供电引脚外，只需 将数据引脚D Q连接到控制器的任一 I/O 口[15]。

pH传感器采用PH复合电极E -201 - C，该传感 器采用5 V电压，工作电流范围为5〜10 mA，PHFig.3 Communication system structure diagram4G模块负责信息的远程传输，设计中采用了 USR - LTE - 7S4模块，该模块支持5模12频移 动联通电信4G高速接入，嵌入式Linux系统开 发，具有高度的可靠性，支持RNDIS远程网络驱 动接口，电脑可以通过U SB连接该设备访问互联 网，允许4个网络连接同时在线，支持T C P和 UDP，每路连接可缓存10 k B串口数据，支持宽电 压范围（5〜16 V)，带SIM卡槽，支持串口 A T指 令[19]。

该设备连接到STM32控制器的第一串24渔业现代化2018 年口。

Lom模块采用USR - L100 - C模块，该模块 工作频率为398〜525 MHz，典型值为470 MHz，传输距离可达4 700 m，工作电压1.8〜3.6 V，可 通过AMS1117输出需要的电压，该模块与STM32 嵌入式控制器通过串口进行通信，连接至控制器 的第二串口[2()]。

3软件设计本系统采用4G技术、Lom技术，基于小型无 人船采集pH、温度、溶氧信息，软件部分主要为无 人船的巡航路径规划及信息的远程传输。

3.1无人船路径规划无人船船体较小，采用电池为动力，而海洋养 殖面需要采集多点参数，采集点位置通过上位机 或者云平台给出，节能体现在以最短的路径将所 有检测点遍历完毕，因此，选择合适的遍历路径就 显得尤为重要。

路径规划对无人船检测海洋养殖 环境具有重要意义，对进一步监测海水环境有着 重要的理论价值，小型无人船的路径规划是本文 讨论的重点。

本设计中，无人船的工作路径规划采用遗传 算法[21_22]，无人船的工作环境为海表面，根据海 洋养殖环境的特点，建立二维笛卡尔坐标系（％，7)下离散栅格空间。

分别为〜y轴方向栅 格的大小。

栅格中任一点3可定义为：q= q(i j) ,〇< rn,0 < n(2)式中:分别为轴方向的最大栅格个数。

将二维平面空间进行栅格化处理，每个栅格 为边长1km的正方形，任意一个采集点i的坐标 为(A A)，则问题转化为计算从海洋养殖无人船 停靠点出发，经过所有采集点，采集信息后回到停 靠点的最短路径。

本文通过定义一个距离来表示 两者之间的实际距离，距离的定义主要考虑了两 个区域之间的直线距离，距离定义为L =- ^)2 + (ji - Jj)2(3)式中乂一两点之间的距离;'、％—采集点€的坐 标;一采集点y的坐标。

对每个个体路径评估，采用路径距离作为适 应度，即将每条路线先后经过的检测点的距离计 算出来，并进行累加，作为该条路径的适应度函 数。

二维平面中，假设任意一个个体的第i段路径是由节点(^^，:)^)、(^，3〇连接而成，计算出它的长度为4，累加值越小的个体能量消耗越小，适应度越强，表示的路径越优[23^4]。

E=⑷i e path式中:4一第i段路径距离，E—路线总距离。

巡航路径规划如下：① 无人船等待上位机或岸基P C机的巡检坐 标，将巡检坐标以数组形式存储。

② 种群初始化，种群中的个体是随机产生的，每一个个体对应一个备选的路径。

个体的产生为每个采集点经过的顺序。

针对海洋养殖无人船路径优化问题的特点，采用十进制编码方案，使用各个需求点的节点编号作为基因来组成染色体，每一条染色体的编码为巡检点出现先后顺序。

例如对于染色体 X[l，6,3,4,5,2,7,8,20,9，"*，16]。

则无人船从原点出发，先经过第一个检测点，再到第6个检测点，最后达到第16检测点，然后回到原点，同时计算适应度。

③ 选择算子，选择优质个体，淘汰部分适应度 差的个体的过程，此过程通常也被称作复制或繁殖，本研究采用轮盘赌选择。

④ 交叉算子，指将两个相互配对的父代染色 体按照某种方式相互交换其部分基因，生成两个新的子代染色体的操作。

为了保持种群的多样性，本研究采用部分交叉方案，染色体具有不能重复及不能漏检的特殊性，当交叉算子应用于父代个体X I和X2时，首先从父代个体X I和X2中随机选择交换区间I到J，然后将X I中I后面J前面的基因和X2中对应位置的基因逐位交叉，由于该路径所有点必须都经过，为避免出现漏点及重复点，交换后必须将原染色体中跟交换进来的元素相等的位置变为交换出去的数据，交换完成形成两个新的染色体，最后检测染色体合法性，若染色体不合法转到步骤③，合法转步骤⑤。