CN108445883A - 一种海水养殖环境无人信息采集***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海水养殖环境无人信息采集***及方法，具体涉及海水养殖环境监测技术领域。该海水养殖环境无人信息采集***包括采集终端、云端和客户端，采集终端包括船体，船体上设有信号接收设备(包含GPS天线，信息传输模块天线),船体的两侧分别设有浮力装置，船体的上表面设有电机、太阳能接收装置和风速传感器，船体的装置前段设有防碰撞超声波模块，船体的中央设有设备舱、传感器舱和排水舱，船体的尾部设有推进装置，设备舱内设有若干电子设备，传感器舱上设有可开合的遮挡板，内部设有折叠架和传感器模块，折叠架在电机的驱动下带动传感器模块伸缩。
Description
技术领域
本发明涉及海水养殖环境监测技术领域，具体涉及一种海水养殖环境无人信息采集***及方法。
背景技术
近年来,海参、鲍鱼等海水养殖产业越来越规模化及集约化，为了追求经济效益，养殖的种类及密度也越来越多，直接导致了海水养殖水质环境的恶化，影响到了养殖物的生长发育，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，基于此，海水养殖自动化监控***的研究引起了学者及研究人员的注意，随着传感器技术及嵌入式***技术的发展，为对海水养殖环境参数如PH值、温度、含氧量等进行自动化监控提供了可能。但是现有的基于传感器技术的***基本实现了数据的养殖环境数据的自动采集处理，但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、CS架构设备价值较高、采集点过于单一等问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提出了一种基于移动BS架构，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，方便易用，且动态采集多点信息，使监控更加精细化的海水养殖环境无人信息采集***及方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种海水养殖环境无人信息采集***，包括采集终端、云端和客户端，
所述采集终端包括船体，船体上设有信号接收设备，船体的两侧分别设有浮力装置，船体的上表面设有电机、太阳能接收装置和风速传感器，船体的前段设有防碰撞超声波模块，船体的中央设有设备舱、传感器舱和排水舱，船体的尾部设有推进装置，设备舱内设有若干电子设备，传感器舱上设有可开合的遮挡板，内部设有折叠架和传感器模块，折叠架在电机的驱动下带动传感器模块伸缩。
优选地，所述浮力装置由横杆和两根竖杆组成，横杆与船体的中心轴平行设置，竖杆与横杆相垂直设置，横杆和竖杆均采用浮力材料制成。
优选地，所述设备舱为密闭仓，内置GPS模块、信息传输模块、单片机控制模块、和时钟模块，该舱通过内部管道与信号接收设备进行信号传递。
优选地，所述传感器模块呈长方体形，长方体内设有若干传感器，长方体的各个面上设有通孔，通过电机带动折叠架伸展，遮挡板打开，将传感器伸出，当测量完成时，传感器收回，海水通过长方体的通孔进入排水仓，遮挡板关闭并通过滑块排水。
优选地，所述排水仓呈长条状，仓壁光滑，仓内设有一个与仓壁无缝连接的滑块，仓壁末端设置有排水门，传感器下放时，滑块收到左边，海水进入排水舱，传感器舱回收时，下端遮挡板关闭，滑块右划，将海水通过排水门排出，排出后排水门关闭。
优选地，所述太阳能接收装置包括硅光板、电子指南针罗盘模块、时钟模块和电机；工作时，电子指南针罗盘模块采集当前船体偏南角度，根据当前时刻按季节时间划分的太阳角度，自动调整电机使电机驱动硅光板至正对太阳角度。
一种海水养殖环境无人信息采集方法，采用如上所述的海水养殖环境无人信息采集***，具体的：
通过云端或客户端给出采集点坐标信息；
海水养殖环境无人信息采集***根据给出的采集点坐标信息，自动规划路径；自动规划路径采用遗传算法，以海水养殖环境无人信息采集***的工作环境为海表面，建立二维维笛卡尔坐标系(x，y)下离散栅格空间，△x、△y分别为x、y轴方向栅格的大小，栅格中任一点q定义为
q＝q(i，j)，0≦i<m,0≦j<n (1)
其中m，n分别为x，y轴方向的最大栅格数；
将二维平面空间进行栅格化处理，每个栅格呈正方形，任意一个采集点的坐标为(xi,yi),建立问题为从海水养殖环境无人信息采集***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的模型；定义一个距离来表示两者之间的实际距离，距离定义为：
其中，L为两点之间的距离，xi,yi为采集点的坐标，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进行计算，并进行累加，作为该条路径的适应度函数，具体包括以下步骤：
步骤1：海水养殖环境无人信息采集***等待上位机或岸基PC机的巡检坐标，并将巡检坐标以数组形式存储；
步骤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，针对海水养殖环境无人信息采集***自动规划路径的特点，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；
步骤3：选择算子，选择优质个体，淘汰适应度差的个体；
步骤4：交叉算子，交叉操作指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；
步骤5：变异算子，依照变异概率，随机选取染色体任意两个位置，进行互换操作；
步骤6：判断迭代次数是否达到设定值，若未达到，转至步骤1，若达到，开始进行步骤7；
步骤7：根据优化得到的路径开始巡检，在点与点之间航行时，根据风速传感器及传感器舱内的水流速传感器动态决定推进装置的功率，即处在顺风顺流时自动减少功率，节约能源，逆风逆流时加大功率，直线行驶，减少距离。
步骤4中，为了保持种群的多样性，采用部分交叉方案，当交叉算子应用于父代个体X1和X2时，首先从父代个体X1和X2中随机选择交换区间I到J，然后将X1中I后面J前面的基因和V2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，若染色体不合法则进行步骤3，合法则进行步骤5。
信息采集完成后，船体通过4G网络将其上传至云端，云端完成信息的接收及存储，同时向船体发送确认信息，通过握手确保传输信息的可靠性。
信息采集完成后，船体通过Lora无线通信方式将信息传至现场PC机，若PC机存在Internet网路，通过安装在PC机的软件将信息上传至云端。
本发明具有如下有益效果：
通过设备舱与排水舱配合，使得传感器在不需要时可以收入到设备舱内部，避免传感器长期浸泡在海水中，提高了传感器的使用寿命和稳定性，传感器收起，减少海水阻力；
该***实现了海水养殖环境的无人自主巡检，配合云端及PC端软件，实现了采集信息的远传远控，无需复杂布线且船体能够自主规划路径，提高了检测效率，该技术可以为其它养殖行业提供参考，方便易用，具有十分广阔的应用前景及良好的经济效益；
该***通过安装在船体上面的可追踪太阳光的太阳能发电装置提供动力，通过两步路径规划算法尽量减少节能，节能环保，极大的提高了能量利用率。
附图说明
图1为船体结构示意图；
图2为船体侧视图；
图3为太阳能接收装置电路图；
图4为自动规划路径流程图；
图5为海水养殖环境无人信息采集***工作流程图；
图6为自动规划路径仿真测试优化过程图；
图7为通过仿真获得的最优自动规划路径。
其中，1为船体，2为信号接收设备，3为设备舱，4为传感器舱，5排水舱，6为竖杆，7为横杆，8为推进装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
如图1和图2所示，一种海水养殖环境无人信息采集***，包括采集终端、云端和客户端，采集终端包括船体1，船体1上设有信号接收设备2(包含GPS天线，信息传输模块天线)，船体1的两侧分别设有浮力装置，船体的上表面设有电机、太阳能接收装置和风速传感器，船体的前段设有防碰撞超声波模块，船体的中央设有设备舱3、传感器舱4和排水舱5，船体的尾部设有推进装置8，设备舱内设有若干电子设备，传感器舱上设有可开合的遮挡板，内部设有折叠架和传感器模块，折叠架在电机的驱动下带动传感器模块伸缩。
浮力装置由横杆7和两根竖杆6组成，横杆7与船体的中心轴平行设置，竖杆6与横杆7相垂直设置，横杆和竖杆均采用浮力材料制成。
设备舱为密闭仓，内置GPS模块、信息传输模块、单片机控制模块、和时钟模块，该舱通过内部管道与信号接收设备进行信号传递。
所述传感器模块呈长方体形，长方体内设有若干传感器，长方体的各个面上设有通孔，通过电机带动折叠架伸展，遮挡板打开，将传感器伸出，当测量完成时，传感器收回，海水通过长方体的通孔进入排水仓，遮挡板关闭并通过滑块排水。
排水仓呈长条状，仓壁光滑，仓内设有一个与仓壁无缝连接的滑块，仓壁末端设置有排水门，传感器下放时，滑块收到左边，海水进入排水舱，传感器舱回收时，下端遮挡板关闭，滑块右划，将海水通过排水门排出，排出后排水门关闭。
太阳能接收装置包括硅光板、电子指南针罗盘模块、时钟模块和电机；工作时，电子指南针罗盘模块采集当前船体偏南角度，根据当前时刻按季节时间划分的太阳角度，自动调整电机使点击驱动硅光板至正对太阳角度，最大限度获取能量。
考虑到太阳每天某一时刻的位置会有偏差，若需进一步精细控制，可采用如图3电路
在利用时间确定基本方向后，在左右偏转5度范围利用定值电阻跟光敏电阻分压，分压后的信后进入第一级放大电路，放大增益可通过R4调整，随后结果进入第二级增益，信号经过两次放大及反向，得到适合单片机AD采集输入的信号，单片机根据信号决定硅光板的确定角度。
海水养殖环境无人信息采集***的控制核心为STM32F103ZET6微控制器，该微控制器是由STM32系列中的一种32位处理器，具有256K的程序存储器、64KB的数据存储器，完全能够满足本次设计需要。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DQ连接到控制器的任一I/O口。PH传感器采用PH复合电极E-201-C，该传感器采用5V电压，工作电流5-10MA，PH值检测范围为0-14，可在-10℃--+50℃工作，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Y＝-5.9647+22.255进行计算。
溶解氧传感器采用LDO工业在线荧光溶解氧传感器，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解氧值，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。该传感器防护等级可达IP68，作电压为宽电压5-16V，输出信号为4-20MA电流信号或0-5V电压信号，分辨力为0.01mg/L本次设计中采用0-5V电压信号，信号输出接入STM32自身携带AD转换电路。
如图4和图5所示，一种海水养殖环境无人信息采集方法，采用如上所述的海水养殖环境无人信息采集***，具体的：
通过云端或客户端给出采集点坐标信息；
海水养殖环境无人信息采集***根据给出的采集点坐标信息，自动规划路径；自动规划路径采用遗传算法，以海水养殖环境无人信息采集***的工作环境为海表面，建立二维维笛卡尔坐标系(x，y)下离散栅格空间，△x、△y分别为x、y轴方向栅格的大小，栅格中任一点q定义为
q＝q(i，j)，0≦i<m,0≦j<n (1)
其中m，n分别为x，y轴方向的最大栅格数；
将二维平面空间进行栅格化处理，每个栅格呈(可取边长为1km)正方形，任意一个采集点的坐标为(xi,yi),建立问题为从海水养殖环境无人信息采集***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的模型；定义一个距离来表示两者之间的实际距离，距离定义为：
其中，L为两点之间的距离，xi,yi为采集点的坐标，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进行计算，并进行累加，作为该条路径的适应度函数，具体包括以下步骤：
步骤1：海水养殖环境无人信息采集***等待上位机或岸基PC机的巡检坐标，并将巡检坐标以数组形式存储，海水养殖环境采集的信息一般有温度、PH值、溶解氧等。
步骤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，针对海水养殖环境无人信息采集***自动规划路径的特点，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:[1 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(距离值)。
步骤3：选择算子，选择优质个体，淘汰适应度差的个体；
步骤4：交叉算子，交叉操作指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；
为了保持种群的多样性，采用部分交叉方案，当交叉算子应用于父代个体X1和X2时，首先从父代个体X1和X2中随机选择交换区间I到J，然后将X1中I后面J前面的基因和V2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，若染色体不合法则进行步骤3，合法则进行步骤5。
步骤5：变异算子，依照变异概率，随机选取染色体任意两个位置，进行互换操作；
步骤6：判断迭代次数是否达到设定值，若未达到，转步骤1，若达到，则进行步骤7；
步骤7：根据优化得到的路径开始巡检，在点与点之间航行时，根据风速传感器及传感器舱内的水流速传感器动态决定推进装置的功率，即处在顺风顺流时自动减少功率，节约能源，逆风逆流时加大功率，直线行驶，减少距离。
步骤4中，为了保持种群的多样性，采用部分交叉方案，当交叉算子应用于父代个体X1和X2时，首先从父代个体X1和X2中随机选择交换区间I到J，然后将X1中I后面J前面的基因和V2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，若染色体不合法则进行步骤3，合法则进行步骤5。
信息采集完成后，船体通过4G网络将其上传至云端，云端完成信息的接收及存储，同时向船体发送确认信息，通过握手确保传输信息的可靠性。或者信息采集完成后，船体通过Lora无线通信方式将信息传至现场PC机，若PC机存在Internet网路，通过安装在PC机的软件将信息上传至云端。整个通信***由控制器、4G模块及Lora模块构成。4G模块负责信息的远程传输，设计中采用了有人科技的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***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USB连接该设备访问互联网，允许4个网络连接同时在线，支持TCP和UDP，每路连接可缓存10KB串口数据，支持宽电压范围5-16V，带SIM卡槽，支持串口AT指令。该设备连接到STM32控制器的第一串口。Lora模块采用有人科技的USR-L100-C模块，该模块工作频率为398-525Mhz，典型值为470M，传输距离可达4700米，工作电压1.8V-3.6V，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。
自动规划路径进行了仿真测试，仿真实验中设置养殖空间二维栅格大小为1km×1km，巡检点随机生成20个，遗传算法初始化种群选用100个个体，交叉概率为0.9，变异概率为0.4，无人船起点与终点坐标为a(0，0)，迭代次数500代，优化过程如图6所示，从图6中可以看出，在约150次迭代后，最优值逐渐趋于稳定，最优路径规划如图7所示，其中，折线路径为规划的路径，其行驶总距离为400千米左右，较之优化开始时随机生成的路径最优值900多千米，极大的提高了效率。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种海水养殖环境无人信息采集***，包括采集终端、云端和客户端，其特征在于，所述采集终端包括船体，船体上设有信号接收设备，船体的两侧分别设有浮力装置，船体的上表面设有电机、太阳能接收装置和风速传感器，船体的前段设有防碰撞超声波模块，船体的中央设有设备舱、传感器舱和排水舱，船体的尾部设有推进装置，设备舱内设有若干电子设备，传感器舱上设有可开合的遮挡板，内部设有折叠架和传感器模块，折叠架在电机的驱动下带动传感器模块伸缩。
2.如权利要求1所述的一种海水养殖环境无人信息采集***，其特征在于，所述浮力装置由横杆和两根竖杆组成，横杆与船体的中心轴平行设置，竖杆与横杆相垂直设置，横杆和竖杆均采用浮力材料制成。
3.如权利要求1所述的一种海水养殖环境无人信息采集***，其特征在于，所述设备舱为密闭仓，内置GPS模块、信息传输模块、单片机控制模块和时钟模块，该舱通过内部管道与信号接收设备进行信号传递。
4.如权利要求1所述的一种海水养殖环境无人信息采集***，其特征在于，所述传感器模块呈长方体形，长方体内设有若干传感器，长方体的各个面上设有通孔，通过电机带动折叠架伸展，遮挡板打开，将传感器伸出，当测量完成时，传感器收回，海水通过长方体的通孔进入排水仓，遮挡板关闭并通过滑块排水。
5.如权利要求1所述的一种海水养殖环境无人信息采集***，其特征在于，所述排水仓呈长条状，仓壁光滑，仓内设有一个与仓壁无缝连接的滑块，仓壁末端设置有排水门，传感器下放时，滑块收到左边，海水进入排水舱，传感器舱回收时，下端遮挡板关闭，滑块右划，将海水通过排水门排出，排出后排水门关闭。
6.如权利要求1所述的一种海水养殖环境无人信息采集***，其特征在于，所述太阳能接收装置包括硅光板、电子指南针罗盘模块、时钟模块和电机；工作时，电子指南针罗盘模块采集当前船体偏南角度，根据当前时刻按季节时间划分的太阳角度，自动调整电机使电机驱动硅光板至正对太阳角度。
7.一种海水养殖环境无人信息采集方法，采用如权利要求1-6任意一项所述的海水养殖环境无人信息采集***，其特征在于，具体的：
通过云端或客户端给出采集点坐标信息；
海水养殖环境无人信息采集***根据给出的采集点坐标信息，自动规划路径；自动规划路径采用遗传算法，以海水养殖环境无人信息采集***的工作环境为海表面，建立二维维笛卡尔坐标系(x，y)下离散栅格空间，△x、△y分别为x、y轴方向栅格的大小，栅格中任一点q定义为
q＝q(i，j)，0≦i<m,0≦j<n (1)
其中m，n分别为x，y轴方向的最大栅格数；
将二维平面空间进行栅格化处理，每个栅格呈正方形，任意一个采集点的坐标为(xi,yi),建立问题为从海水养殖环境无人信息采集***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的模型；定义一个距离来表示两者之间的实际距离，距离定义为：
其中，L为两点之间的距离，xi,yi为采集点的坐标，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进行计算，并进行累加，作为该条路径的适应度函数，具体包括以下步骤：
步骤1：海水养殖环境无人信息采集***等待上位机或岸基PC机的巡检坐标，并将巡检坐标以数组形式存储；
步骤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，针对海水养殖环境无人信息采集***自动规划路径的特点，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；
步骤3：选择算子，选择优质个体，淘汰适应度差的个体；
步骤4：交叉算子，交叉操作指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；
步骤5：变异算子，依照变异概率，随机选取染色体任意两个位置，进行互换操作；
步骤6：判断迭代次数是否达到设定值，若未达到，转至步骤1，若达到，则开始进行步骤7；
步骤7：根据优化得到的路径开始巡检，在点与点之间航行时，根据风速传感器及传感器舱内的水流速传感器动态决定推进装置的功率，即处在顺风顺流时自动减少功率，节约能源，逆风逆流时加大功率，直线行驶，减少距离。
8.如权利要求7所述的一种海水养殖环境无人信息采集方法，其特征在于，所述步骤4中，为了保持种群的多样性，采用部分交叉方案，当交叉算子应用于父代个体X1和X2时，首先从父代个体X1和X2中随机选择交换区间I到J，然后将X1中I后面J前面的基因和V2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，若染色体不合法则进行步骤3，合法则进行步骤5。
9.如权利要求7所述的一种海水养殖环境无人信息采集方法，其特征在于，信息采集完成后，船体通过4G网络将其上传至云端，云端完成信息的接收及存储，同时向船体发送确认信息，通过握手确保传输信息的可靠性。
10.如权利要求7所述的一种海水养殖环境无人信息采集方法，其特征在于，信息采集完成后，船体通过Lora无线通信方式将信息传至现场PC机，若PC机存在Internet网路，通过安装在PC机的软件将信息上传至云端。
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