0 引言

    隨著科技進(jìn)步與人類發(fā)展，人類日益增加的資源消耗與陸地資源逐漸匱乏的矛盾越來越突出。近些年的淺海開發(fā)很多，但是對深海的開發(fā)卻很有限。浮游生物粒徑譜反映了海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及系統(tǒng)內(nèi)部的聯(lián)系，因此具有粒徑計(jì)數(shù)功能的設(shè)備能更好地幫助進(jìn)行海底環(huán)境監(jiān)測和資源開發(fā)。另外，可視化技術(shù)是一種直觀的海洋觀測技術(shù)，過去可視化觀測主要依賴于傳統(tǒng)相機(jī)，視頻存儲依靠存儲卡，不具備實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，也無法實(shí)現(xiàn)長期的可視化觀測。本文設(shè)計(jì)了具有粒徑技術(shù)功能的可視化浮游生物拖網(wǎng)系統(tǒng)，同時(shí)搭載浮游生物計(jì)數(shù)器及高清攝像頭，并結(jié)合以太網(wǎng)傳輸解決上述問題，實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控以及浮游生物粒徑譜檢測，彌補(bǔ)了深海探測這一領(lǐng)域的不足。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)框架

    本系統(tǒng)以千兆以太網(wǎng)框架作為傳輸途徑，提出了一種設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)集成了多種技術(shù)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括甲板視頻監(jiān)控平臺和水下電子系統(tǒng)兩部分，其中甲板視頻監(jiān)控平臺由LOPC PC端軟件、拖網(wǎng)甲板控制單元、甲板控制端、甲板通信機(jī)組成。另外，水下電子系統(tǒng)由水下控制倉、IP攝像機(jī)、LOPC主機(jī)、拖網(wǎng)主機(jī)和傳感器組成。

1.2 系統(tǒng)工作原理

    甲板視頻控制平臺與水下電子系統(tǒng)通過光纜連接，光纜長度約為10 km，電源通過光纜為水下電子系統(tǒng)提供高壓電源，甲板操作監(jiān)控平臺與水下系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與控制命令交互也通過光纜傳輸。

    甲板操作監(jiān)控平臺上的PC主機(jī)用于顯示浮游生物形態(tài)圖像及粒徑譜數(shù)據(jù)。水下控制倉用于控制攝像機(jī)、探照燈、高度計(jì)等設(shè)備的工作狀態(tài)，控制命令通過甲板操作監(jiān)控平臺發(fā)送控制命令進(jìn)行控制；水下電源轉(zhuǎn)換模塊將高壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)模塊所需的工作電壓；光纖轉(zhuǎn)換器用于光/電信號的轉(zhuǎn)換，方便光纜與以太網(wǎng)電纜的轉(zhuǎn)接；串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊配合光纖轉(zhuǎn)換器和交換器將以太網(wǎng)電纜信號與串口信號互相轉(zhuǎn)換，從而連接甲板操作監(jiān)控平臺與水下控制單元的通信；交換機(jī)用于各個(gè)模塊與設(shè)備的連接。

    LOPC主機(jī)與拖網(wǎng)主機(jī)通過RS-232總線與水下控制倉進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，水下控制倉將從LOPC主機(jī)、拖網(wǎng)主機(jī)收到的數(shù)據(jù)打包，分別通過串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊及光纖收發(fā)器發(fā)送至甲板監(jiān)控平臺，甲板監(jiān)控平臺再將數(shù)據(jù)分別通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送至LOPC上位機(jī)、拖網(wǎng)上位機(jī)、甲板控制端上位機(jī)，甲板控制端上位機(jī)通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送指令給水下控制倉，水下控制倉根據(jù)指令控制繼電器的開斷，繼而控制控制倉外接設(shè)備的工作狀態(tài)，同時(shí)上傳控制倉內(nèi)GY85九軸傳感器、高度計(jì)等傳感器數(shù)據(jù)至甲板控制端上位機(jī)并顯示。

1.3 浮游生物粒徑譜監(jiān)測及生物圖像采集

    系統(tǒng)對浮游生物粒徑譜的監(jiān)測使用了來自勞斯萊斯公司發(fā)明的激光浮游生物計(jì)數(shù)器(LOPC)及拖網(wǎng)應(yīng)用，如圖2所示。它能為用戶提供高分辨率、高密度的實(shí)時(shí)浮游生物數(shù)據(jù)采集以及顯示，對于1 500 μm～35 000 μm范圍內(nèi)的多要素浮游生物可顯示微粒的外形輪廓，浮游生物數(shù)量采集范圍高達(dá)1 000 μm～35 000 μm，并且具有很低的重復(fù)幾率。此外還能通過上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集及顯示，從而使得用戶可以在線對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、高效的觀察和處理。

    本系統(tǒng)針對水下浮游生物的可視化監(jiān)測使用了來自Imaging Source 公司23Series TIS_GigE系列DFK23G274攝像機(jī)，最高幀數(shù)達(dá)到20 f/s。視頻數(shù)據(jù)通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送至甲板監(jiān)控平臺，甲板監(jiān)控平臺通過上位機(jī)軟件進(jìn)行圖像的顯示和回放。

2 系統(tǒng)硬件

    系統(tǒng)由于需要長期工作于深海中，因此當(dāng)甲板上的供電電源電壓較低時(shí)，系統(tǒng)的工作電流相對較大；又由于為水下系統(tǒng)供電的電纜較長，因而線纜上的損耗較大，導(dǎo)致系統(tǒng)功耗增加。所以本系統(tǒng)采用高效率的高電壓低電流模式，甲板監(jiān)控平臺為水下設(shè)備提供300 V直流高壓，300 V高壓經(jīng)過VICOR模塊轉(zhuǎn)換為3路24 V，并通過水下DC/DC模塊產(chǎn)生12 V、5 V、3.3 V電壓，為不同的模塊供電。

    水下控制倉由控制單元、電源模塊、串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊、光纖收發(fā)器、以太網(wǎng)交換機(jī)、2路搭配照明設(shè)備的高清攝像頭、拖網(wǎng)主機(jī)以及高度計(jì)組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。控制單元中包含提供9自由度分量參數(shù)測量的GY85九軸傳感器，4路繼電器能夠控制高清攝像頭、照明設(shè)備、高度計(jì)的工作狀態(tài)，另外還為串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊提供工作電壓，控制單元通過與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互來控制外部設(shè)備的狀態(tài)，并上傳視頻數(shù)據(jù)、浮游生物粒徑譜數(shù)據(jù)及九軸傳感器數(shù)據(jù)至上位機(jī)，并通過人機(jī)交互界面顯示傳感器數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件由水下控制倉程序、甲板控制端上位機(jī)程序兩部分組成。本設(shè)計(jì)程序中，下位機(jī)程序在Keil下編譯、調(diào)試，上位機(jī)程序均在Microsoft Visual Studio 2012下編譯調(diào)試。

3.1 甲板控制端上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

    甲板控制端上位機(jī)程序設(shè)計(jì)可以分為2個(gè)步驟：

    (1)系統(tǒng)初始化。打開上位機(jī)后，對各個(gè)窗口組件、攝像頭進(jìn)行初始化配置。

    (2)發(fā)送控制命令并接收傳感器數(shù)據(jù)。上位機(jī)對水下控制倉發(fā)送4種命令幀，對應(yīng)執(zhí)行4種操作，命令幀與對應(yīng)操作關(guān)系如表1所示。

3.2 水下控制倉程序設(shè)計(jì)

    甲板控制端上位機(jī)程序設(shè)計(jì)可以分為3個(gè)步驟：

    (1)系統(tǒng)初始化。對系統(tǒng)時(shí)鐘及外設(shè)進(jìn)行初始化配置。

    (2)接收上位機(jī)指令并控制。水下控制倉接收到控制命令后，判斷是否為心跳信號，在1分鐘內(nèi)未接收到心跳信號，系統(tǒng)將切斷所有外接傳感器的電源；接收到操作指令，則完成對應(yīng)操作。

    (3)上傳傳感器數(shù)據(jù)。水下控制倉采集好傳感器數(shù)據(jù)后，按照@#，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，55*/r/n的數(shù)據(jù)格式上傳傳感器數(shù)據(jù)（數(shù)字n代表第n路傳感器數(shù)值）。

    水下控制倉下位機(jī)程序流程圖與甲板控制端上位機(jī)程序流程圖如圖4所示。

3.3 LOPC數(shù)據(jù)

    LOPC的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流包含3種數(shù)據(jù)格式：計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)、粒徑數(shù)據(jù)和CTD數(shù)據(jù)（或其他串行數(shù)據(jù)輸入）。數(shù)據(jù)幀的基本布局如下：

    <分隔符><幀標(biāo)識><數(shù)據(jù)包><分隔符><結(jié)束符>

    分隔符采用波浪線符號(~)，幀標(biāo)識是字母L、M、C，其中L代表計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，M代表粒徑數(shù)星號(*)。計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)與粒徑數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包是二進(jìn)制格式，CTD或串行輸入數(shù)據(jù)通常是ASCII碼格式。其中粒徑數(shù)據(jù)是對浮游生物輪廓采集得到的數(shù)據(jù)，PC通過對粒徑數(shù)據(jù)的分析處理得到浮游生物輪廓圖像，浮游生物輪廓圖像如圖5所示。

4 系統(tǒng)安裝與測試

    將各個(gè)模塊電路在倉體內(nèi)安裝完畢后進(jìn)行系統(tǒng)測試。

    甲板控制端上位機(jī)如圖6所示，左側(cè)圖像窗口為水下高清攝像頭的數(shù)據(jù)，并提供錄像功能，GigEthernet攝像頭采用了索尼公司的ICX274 CCD傳感器，感光尺寸高達(dá)1/1.8″，最高幀數(shù)達(dá)到20 f/s，為水下圖像采集提供性能上的保證。上位機(jī)右側(cè)面板顯示水下控制倉上傳的傳感器數(shù)據(jù)，并有按鈕控制水下攝像機(jī)、高度計(jì)、照明燈的工作狀態(tài)。

    LOPC上位機(jī)如圖7所示，左側(cè)直方圖顯示不同粒徑的浮游生物的個(gè)數(shù)，右側(cè)為上位機(jī)描繪的生物輪廓，下方面板為水下LOPC主機(jī)的工作狀態(tài)以及相關(guān)參數(shù)的顯示。LOPC主機(jī)與甲板控制單元有電力線載波和RS-232總線兩種通信方式，本系統(tǒng)采用RS-232總線方式將LOPC數(shù)據(jù)發(fā)送至水下控制倉，再通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送至LOPC上位機(jī)，并進(jìn)行顯示。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一款基于以太網(wǎng)架構(gòu)的具有粒徑技術(shù)功能的可視化浮游生物監(jiān)測系統(tǒng)，這種架構(gòu)大大提高了水下數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和速率，改善了實(shí)時(shí)性能。該系統(tǒng)不但能應(yīng)用于深海生物觀測，同時(shí)也被應(yīng)用于海洋資源的勘探、水資源污染檢測及災(zāi)害預(yù)測、海底養(yǎng)殖觀測等諸多領(lǐng)域，為海洋資源開發(fā)提供了一種高效的探測方式。

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