海岸养殖水下防护系统及其运行方法与流程

本发明涉及一种通过声学原理实现的海岸养殖水下防护系统，属于海洋渔牧业生产装备和海洋测量仪器制造技术领域。

背景技术：

伴随着海洋开发的深入，海洋渔业生产已由捕捞逐渐转变为养殖，网箱水产养殖在我国尤为普遍，近海岸分布十分广泛。通常网箱布置在水面以下3-5m处，因其不易被发现，所以极易发生船只、游泳爱好者与网箱发生缠绕的情况；同时，由于网箱养殖离岸较远，不便于管理，容易出现偷捞和盗捕现象。这些情况一方面会造成养殖户的重大损失，另一方面也会对正常行船带来影响，甚至会威胁到游泳爱好者的生命。因此，这些传统的防护方法，已无法适应海洋开发的发展，研发一种适用于近岸水产养殖的水下防护装置的需求十分迫切。同时，伴随着海洋声学研究的不断深入，利用被动探测技术实现水下实时防护，为发展新一代水产养殖水下防护装置提供了强有力的技术支持。

目前，水产养殖网箱并没有专业的防护装置，所采取的防护措施主要有：(1)设立标志旗，闪光灯(利用岸电或太阳能板供电)；(2)设立防鲨网，防止船只、人员靠近；(3)利用船只巡航，定期检查。在海洋环境中，标志旗和闪光灯极易受损，同时由于其标志与一般航行标志区分度不大，可能会对航行安全构成威胁，因而一般会限制使用；利用船只巡航成本较高，同时由于无法实现实时监控，在发生紧急情况时，很可能无法及时处置。因此，这些传统的防护方法，无法实现海岸养殖的有效防护，最终限制了海洋渔业的安全和生产规模。总体看来，传统方法的局限性与不足主要包括以下几点：

1、防护范围小：由于标志旗和闪光灯的架设高度有限，一般不超过1.5m，而且数量较少，航行船只很难在较远距离发现；近距离发现 时，无法做出有效的规避措施。

2、防护效率低：标志旗和闪光灯属于警告标志，不能实现报警功能，船只巡航也无法实现实时报警，只有在巡航时段才有可能发现警情，无法真正有效发挥防护作用。

3、安全可靠性低：夜间使用的闪光灯与航道航行标志灯接近，有可能误导船只发生危险。网箱或防鲨网均有可能与船只、水下人员发生缠绕事故，导致网箱、船只发生较大损失，甚至出现危及人员生命安全的情况。

4、成本高：无论是布设防鲨网还是使用船只巡航，成本都较高。

近年来，随着水声技术的发展和低功耗电子器件的开发及应用，将声学防护系统应用于海岸养殖水下防护的关键技术日益成熟。目前，国内外已有的海洋声学防护系统，大都采用主动探测方案，主要用于驱赶鲨鱼、鲸鱼、海豚等大型鱼类和哺乳动物。还有部分设备采用主、被动探测结合的技术，但这类设备往往结构复杂，成本较高，多用于海岸重要目标的防护，因此无法满足海岸养殖防护的需求。尽管在海洋鱼牧业生产装备和海洋测量仪器领域方面，有部分设备使用了声学发射技术实现了鱼群探测和驱离，但采用水下被动探测技术与海洋鱼牧业生产装备相互融合的方式实现对海岸水产养殖防护尚属空白。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种海岸养殖水下防护系统，基于水声信号被动探测原理，通过无线通信连接，实现多点、实时无间断近岸网箱监控与自动报警，实现整个海岸水产养殖网箱的实时监控报警；防护范围大、效率高，安全可靠性好且成本低廉。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种海岸养殖水下防护系统，包括监控器和数据中心，所述监控器固设在水下养殖网箱上或直接悬浮固定在水中，所述监控器与数据中心上分别对应设置有无线通讯模块，从而实现两者之间的无线通讯连接；所述数据中心还包括有报警模块，在数据中心接收到监控器发 来的无线信号符合报警条件时，控制所述报警模块报警。

为了起到更好的防护作用，所述监控器的设置数量为多个，每个监控器与其无线通讯模块构成一个节点，多个节点形成防护网络。

具体来说，所述监控器主要包括有水密电子舱，其内部设有控制与采集模块和时钟授时模块；所述水密电子舱上设有储能电池组，储能电池组的顶部设有无线通讯模块；水密电子舱的下方与水听器相连，其中：所述储能电池组为整个监控器供电；所述控制与采集模块接收所述水听器所采集的信号，通过无线通讯模块传递信息给数据中心；所述时钟授时模块用于保持多个所述监控器中的每个监控器之间、以及每个监控器与所述数据中心之间的工作时间同步；所述水听器用于实时监控所述养殖网箱附近的水下情况。

所述控制与采集模块包括电性连接的主控电路、接口控制电路、信号处理器和ad转换器，其中：所述ad转换器将所述水听器所采集的信号通过信号处理器传递给主控电路；所述接口控制电路与所述无线通讯模块之间实现通讯。

所述水听器具体包括增益控制与滤波电路和与其相连的水声传感探头，所述增益控制与滤波电路与所述控制与采集模块相连。

所述储能电池组包括电池组和电源监控单元，所述电源监控单元与所述控制与采集模块相连并受其控制为所述监控器供电。

除此之外，所述储能电池组还包括太阳能电池板，所述电池组为充电电池组，太阳能电池板为充电电池组充电。

所述时钟授时模块包括分别与所述控制与采集模块相连的只读存储器和实时时钟，只读存储器和实时时钟通过与控制与采集模块相连的授时电路接口与该防护系统的外部计算机或gps系统相连，完成对实时时钟的授时。

根据需要，所述报警模块包括报警器和/或报警灯。

通常情况下，所述监控器的布设深度为水下3m-10m。

本发明还提供一种如上所述的防护系统的运行方法，该方法包括如下步骤：

步骤100：防护系统开始运行；

步骤200：轮询监控器，根据每个监控器的网络地址编码进行轮询，确定监控器自身状态是否正常，正常则进入步骤300，否则进行系统调试后返回步骤100；

步骤300：数据中心接收监控器的无线信号后进行目标分类识别；

步骤400：数据中心判断是否需要报警，如果需要报警则进入步骤500；否则返回步骤200；

步骤500：报警；

步骤600：结束。

为了保证系统的正常运行，所述步骤100之后、步骤200之前还包括步骤110：进行系统自检，检测系统各个设备、模块自身的状态，自检结果正常则初始化工作参数并进入步骤200，否则，上报数据中心显示错误，进行系统调试后返回步骤100。

进一步地，所述步骤300具体包括：

步骤310：无线信号频率检测，如果为高频信号则进入步骤320，如果为低频信号则进入步骤330；

步骤320：进行能量检测并与高频门限进行比较，当无线信号频率高于门限值时，进入步骤400，否则返回步骤300；

步骤330：进行能量检测并与低频门限进行比较，当无线信号频率高于门限值时，进入步骤400，否则返回步骤300。

为了保证系统中的各个部件能够同步工作，所述步骤100之前还包括：

步骤001：同步授时与网络地址编码分配：通过计算机连接gps接收机，实现为每个监控器授时和网络地址编码分配；

步骤002：工作任务设定：由数据中心为监控器设定监控起始时间，监控周期，工作参数等日常工作任务，多个控制器任务采用批处理方式设定任务和/或对特殊监控器单独设定任务；

步骤003：根据防护需求和实施环境，确定监控器的布放数量、布放位置及深度，同时选择数据中心的布放位置；

根据养殖水域的实际情况，所述步骤003中对监控器的布放包括：固定式布放或浮标式布放。

综上所述，本发明通过无线通信连接，实现对整个海岸水产养殖网箱的多点、实时无间断实时监控与自动报警；基于声学探测原理使防护范围更大；装置具有信号处理和目标识别功能，实现实时监控报警，防护效率高；采取浮标或直接绑缚在网箱上，安全可靠；安装简便且制造成本、维护成本低。

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细地说明。

附图说明

图1为本发明海岸养殖水下防护系统的基本实施方式示意图；

图2为本发明海岸养殖水下防护系统所包含的数据中心及无线接收器组成结构框图；

图3为本发明监控器的内部结构示意框图；

图4为本发明海岸养殖水下防护系统的运行流程示意图。

具体实施方式

图1为本发明海岸养殖水下防护系统的基本实施方式示意图；图2为本发明海岸养殖水下防护系统所包含的数据中心及无线接收器组成结构框图。如图1并结合图2所示，本发明提供一种海岸养殖水下防护系统，包括监控器100和数据中心200，所述监控器100固设在水下养殖网箱300上或直接悬浮固定在水中。所述监控器100与数据中心200上分别对应设置有无线通讯模块，该无线通讯模块主要包括分别对应设置在所述监控器100上的无线发射器110和数据中心200上的无线接收器210，从而实现两者之间的无线通讯连接。可选的，所述数据中心200还可以进一步包含：监控数据记录模块，用于记录监控器传递过来的监控信息；监控数据显示模块，用于实时显示监控器传递过来的监控信息。在本实施例中，无线发射器的型号可采用kyl-1020l，该无线发射模块负责实现监控器与数据中心之间的通信；而无线接收器的型号则可采用kyl-1020u，该无线接收模块负责实现监控器与数据中心之间的通信。数据中心200的控制管理模块可使用工 控机或普通计算机，控制管理模块同无线接收器之间通过rs232接口连接。所述数据中心200还包括有报警模块220，在数据中心200接收到监控器100发来的信号后，经分类识别后判断是否满足报警条件，满足条件时控制所述报警模块220报警。如图1所示，所述监控器100的设置数量为多个，每个监控器100与其无线通讯模块构成一个节点，多个节点形成防护网络，对相应水域中的水下人员600和水下船只500的位置进行监测。也就是说，本发明通过无线发射/接收器将一个数据中心和多个监控器，按照防护的需求构建成防护网络，其中每个监控器与一个无线发射器共同构成防护网络的一个节点，各个节点自主工作，相互之间各自独立，不需要电缆连接。整个防护网络中节点的数量、布放探测深度及防护目标设计等方面，在实际实施时只需要根据实际海域情况(水面面积、深度、地形等)调整节点设置数量就可以方便的实现。

图3为本发明监控器的内部结构示意框图。如图3并结合图1所示，图1中包括了水平设置和竖直设置的网箱300，其中，竖直设置的网箱300右上方的监控器100，其放大图如箭头右侧所示。该监控器100主要包括有水密电子舱101，水密电子舱为通过耐腐蚀材料加工制作的具有耐压结构特性的水密外壳；其内部设有控制与采集模块120和时钟授时模块130。所述水密电子舱101上设有储能电池组140，储能电池组140的顶部设有无线发射器110；水密电子舱101的下方与水听器150相连，其中：所述储能电池组140为整个监控器100供电；所述控制与采集模块120接收所述水听器150所采集的信号，通过无线通讯模块传递信息给数据中心200；所述时钟授时模块130用于保持多个所述监控器100中的每个监控器之间、以及每个监控器与所述数据中心之间的工作时间同步；所述水听器150用于实时监控所述养殖网箱附近的水下情况。所述的无线发射器110采用高频无线通讯协议，安装在监控器100水密电子舱101内部，天线外置；所述的无线接收器采用高频无线通讯协议，安装在数据中心上。

如图3所示，更具体地，所述控制与采集模块120包括电性连接的主控电路、接口控制电路、信号处理器和ad转换器，其中：所述ad 转换器将所述水听器所采集的信号通过信号处理器传递给主控电路；所述接口控制电路与所述无线通讯模块之间实现通讯。通常情况下，本领域技术人员可以根据实际需要对构成所述控制与采集模块120的各个元件进行选择，在本实施例中，控制与采集模块120使用的单片机型号为msp430f5438，该单片机为本发明监控器的核心控制单元，负责按照给定的工作任务完成监控器的控制、数据传输和电源管理，并协调其它模块安全可靠运行。控制与采集模块120使用的dsp(信号处理器)型号为tms320vc5509a，该dsp为本发明监控器的核心信号处理单元，负责对采集到的声信号开展信号处理分析，识别目标类型、强弱等。而控制与采集模块120使用的cpld(接口控制电路)型号为maxiiepm570z，该cpld完成所有信号的接口与数据格式转换。

水听器150采用聚氨酯灌封工艺处理，全透声设计，用于探测接收接近网箱的船只和水中人员发出的声音信号。水听器150具体包括增益控制与滤波电路和与其相连的水声传感探头，水声传感探头，用于采集声学信号；增益控制与滤波电路与控制与采集模块相连，该电路的输入端与所述水声传感探头输出端相连，其输出端与所述控制与采集模块的模数转换单元相连，用于将水声传感探头采集的水下信号进行前置放大和滤波处理后输入所述的模数转换单元进行模数转换。

具体来说，水听器150接收疑似目标发出的声信号，监控器100对采集到的信号进行分析和目标识别，将报警信号送入无线发射器。同时，数据中心200通过无线接收装置接收监控器的报警信号，完成监控器识别，发出报警信号和其它相关信息。水听器150通过水密连接件与水密电子舱101连接，舱内电子系统中的控制与采集模块与水密电子舱的水密连接件连接，接口处理模块与无线发射连接，时钟模块与控制与采集模块连接。

所述储能电池组140包括电池组和电源监控单元，电源监控单元与所述控制与采集模块相连并受其控制为所述监控器供电。为了便于使用，所述储能电池组还包括太阳能电池板，所述电池组为充电电池组，使用太阳能电池板进行电能采集并为充电电池组充电。也就是说，储能电池组可以采用普通电池组供电，但为了减少反复更换电池的麻 烦，最优的方式是采用充电电池组，并由太阳能电池板为其充电，不但充分利用了海上的自然能源，而且避免了更换电池的麻烦。储能电池组通过专用电源接口为其它模块供电。在本实施例中，储能电池组采用四节以上的高能储能电池组合实现，另外，所述储能电池组还包含电源监控单元，该电源监控单元与所述监控器控制与采集模块相连接，所述电源监控单元与所述控制与采集模块协同完成电源电压和电流监控及为监控器包含的其余模块上断电控制。设置在电池组上专用的电源监控单元可对其出现的异常现象，如：过流、欠压等情况进行及时处理，以确保整个防护系统在稳定的能源供给情况下顺利工作。

如图3所示，所述时钟授时模块130包括分别与所述控制与采集模块120相连的只读存储器和实时时钟，只读存储器和实时时钟通过与控制与采集模块120相连的授时电路接口与计算机或gps系统相连，完成对实时时钟的授时。上述的计算机或gps是外部授时设备，初始时间需要设定，初始时间是由计算机或gps提供的，不需要预存在存储器中。使只读存储器和实时时钟相连，将实时时间预设在只读存储器中并通过实时时钟计时，完成授时之后，将计算机或gps系统移除，再将监控器置入水下。也就是说，本发明所提供的海岸养殖水下防护系统中的每个监控器都分配有各自独立的网络地址编码，在布放前植入各监控器中，并且可通过与计算机或gps接收机等设备连接实现系统授时，具体来讲，各监控器通过授时电路接口，如本实施例中所采用的rs232接口连接计算机或gps接收机。计算机通过指令控制，如：gps接收机直接输出，完成对各监控器授时，实现同步控制。授时完成后，整个网络可按照设定的工作时间自主运行，各监控器通过内部独立的时钟模块完成守时，实现整个监测网络的同步运行。在本实施例中，时钟授时模块130选用的实时时钟可采用微型串行接口ds3232m作为系统的日历时钟源，其时钟频率稳定度达到±5ppm，通过i2c总线与控制模块相连，满足水声领域的应用需求。同时，在本实施例中，使用e²prom存储工作任务，并使用rs232串口扩展外部接口。

为了达到实时监控的效果，结合图1和图2所示，所述报警模块包括报警器或报警灯。

如图1所示，通常情况下，要根据防护需求和实施环境，确定海岸养殖水下防护系统中监控器100的数量、布放的位置及深度，同时选择合适的位置设置数据中心200。实现数据中心200和所需数量的监控器100构成防护网络。因此，根据实际布设的经验，监控器的布设深度为水下3m-10m；而监控器在水下的布设密度可根据实际防护目标和布放位置确定，理想水域一般对于水下人员的防护距离约为5m-10m，对水下船只的防护距离不小于100m。更进一步地，如果网箱300的布放海域海深超过10m，并且是开阔水域，水底无大型暗礁或建筑设施，监控器100在水下的布设深度为3m-5m，监控器的工作频段在几赫兹至100000赫兹，单个监控器100对于接近网箱300的水下船只500的防护报警范围约为500m-800m，对水下人员600的防护报警范围约为10m-20m。监控器100布设密度可根据网箱300实际布放设计，一般水平间隔为15m-30m，实际实施时还需要考虑布放海域的海浪和主要防护目标等因素。此外，根据还需要在选择监控器的安装方式采用网箱固定式或浮标式。当采用浮标式固定时，如图1所示，监控器100上还设有浮体模块111，用于监控器处于浮标布置方式时使用。浮标模块111与监控器100的水密电子舱101连接。

如图1至图3所示，本发明所提供的海岸养殖水下防护系统的工作过程是这样的：具体需要说明的工作工程包括整个防护系统的布设过程和布设好之后的工作过程。

防护系统的布设过程，具体包括：

首先，同步授时与网络地址编码分配：每个监控器100在实施前，通过计算机连接gps接收机，实现为各单元授时和网络地址编码分配；

其次，工作任务设定：由数据中心200为监控器100设定日常工作任务，由于整个装置中的所有监控器100工作在同步状态，所以各个监控器100可设定为相同的工作任务，任务设定时可以采用批处理方式，对于特殊任务监控器100可以单独设置；

最后，海岸养殖水下防护系统构建：根据防护需求和实施环境，确定海岸养殖水下防护系统中监控器100的数量、布放的位置及深度，同时选择合适的位置设置数据中心200。实现数据中心200和所需数量 的监控器100构成防护网络。此外，根据还需要在选择监控器的安装方式，如：网箱固定式或浮标式。

完成上述海上布设作业后，由于监控器100的内部的实时时钟模块130设定相同的工作时间，同时各单元内部设定的工作任务也相同，因此整个防护装置处于同步工作状态。由于海岸养殖水下防护系统采用的声学被动探测技术和无线通信链路，所以整个装置无需专门对海岸养殖场进行改造，且可根据实际需求灵活调整布放位置和实施方式，具有海上实施作业机动灵活、轻巧方便的特点，可适应多种应用场合。

布设好之后的工作过程，主要包括：

首先，为了保证系统运行的准确性和稳定性，在系统正式运行之前需要进行系统自检，自检结果正常则初始化工作参数并进入工作状态，否则，上报数据中心200显示错误，进行系统调试后重新自检。

需要说明的是，自检就是检测系统各个设备、模块自身的状态，是设备自带程序的一部分不需要额外的设备，一般每次上电后自检一次；其中的初始化的工作参数与使用的具体器件有关，本领域技术人员可以根据防护系统的实际器件组合进行选择性设定。

其次，防护系统开始运行；轮询监控器100。数据中心200接收监控器100的无线信号后进行目标分类识别，随后数据中心200判断是否需要报警，如果需要报警则报警；否则返回轮询步骤，完成对所有监控器100的实时监测后结束。更具体地，对于无线信号所进行的目标分类识别具体包括：通过对无线信号的频率进行检测，区分高频信号和低频信号，进一步分别设置高频信号和低频信号的门限值，对接收到的无线信号进行能量检测后与门限值进行比较，从而判断是否需要报警。上述门限值的大小取决于防护策略，系统是自适应操作，同样可以根据实际需要进行选择性设定。

具体来说，如图1所示，布设在水下的一个或多个监控器100作为网箱300的实时监控单元，与在岸端设立的数据中心200两者之间通过无线通信模块实现数据交互。整个系统工作时利用监控器100的高灵敏度水听器探测水下船只500和水下人员600发出的水声信号，利用监控器的信号处理模块实现目标识别，根据信号的强弱辨认出是 水下船只500还是水下人员600及其距离的远近。并将识别后的报警信号通过无线转发模块发送至数据中心，数据中心的无线接收模块在接收到监控器的信号后判断是否需要报警，假如水下船只500或者水下人员600已经满足了报警条件，则迅速启动报警。数据中心200接到报警后及时做出相应的处理，从而实现了对整个海岸水产养殖网箱的实时监控。实现多点、实时无间断近岸网箱监控与自动报警，替代传统的船只巡航与人工值守工作方式。

需要特别说明的是，上述的高频信号和低频信号是相对于水下船只和水下人员而言的，对于本领域技术人员来说，其数值范围及门限数值的高低是可以根据水声信号的工作原理进行选择的，数值的大小与水下船只的大小和距离、水下人员的距离远近、水深、水流速和流向等很多现场的实际工作环境条件有关，因此，无法直接提供一个确切的数值或者数值范围对其进行说明，需要进行实地勘察后选择确认。本发明所提供的水下防护系统的运行方法，实质上就是先通过信号的高频或低频来判断入侵物体是船只或是人员，再通过门限来判断确定是否需要报警以及做进一步地处置，其中的高频门限和低频门限也仅仅代表一个最主要的判断参数，在实际应用中，还需要配合其他多种参数进行综合判断。进一步举例来说，比如：网箱300布放海域海深超过10m，并且是开阔水域，水底无大型暗礁或建筑设施，监控器100在水下的布设深度为4m，如果接收到的信号频率在5赫兹至5k赫兹左右，为低频信号，判断入侵物为水下人员的可能性高，如果接收到的信号频率在1k赫兹至50k赫兹左右，则为高频信号，判断入侵物为水下船只的可能性更高。

图4为本发明海岸养殖水下防护系统的运行流程示意图。综上所述并参照图4所示，本发明还提供一种如上所述的海岸养殖水下防护系统的运行方法，该方法包括如下步骤：

步骤100：防护系统开始运行；

步骤200：轮询监控器，根据每个监控器的网络地址编码进行轮询，确定监控器自身状态是否正常，正常则进入步骤300，否则进行系统调试后返回步骤100；

步骤300：数据中心接收监控器的无线信号后进行目标分类识别；

步骤400：数据中心判断是否需要报警，如果需要报警则进入步骤500；否则返回步骤200；

步骤500：报警；

步骤600：结束。

为了保证系统的正常运行，所述步骤100之后、步骤200之前还包括步骤110：进行系统自检，检测系统各个设备、模块自身的状态，自检结果正常则初始化工作参数并进入步骤200，否则，上报数据中心显示错误，进行系统调试后返回步骤100。

进一步地，所述步骤300具体包括：

步骤310：无线信号频率检测，如果为高频信号则进入步骤320，如果为低频信号则进入步骤330；

步骤320：进行能量检测并与高频门限进行比较，当无线信号频率高于门限值时，进入步骤400，否则返回步骤300；

步骤330：进行能量检测并与低频门限进行比较，当无线信号频率高于门限值时，进入步骤400，否则返回步骤300。

为了保证系统中的各个部件能够同步工作，所述步骤100之前还包括：

步骤001：同步授时与网络地址编码分配：通过计算机连接gps接收机，实现为每个监控器授时和网络地址编码分配；

步骤002：工作任务设定：由数据中心为监控器设定监控起始时间，监控周期，工作参数等日常工作任务，多个控制器任务采用批处理方式设定任务和/或对特殊监控器单独设定任务；

步骤003：根据防护需求和实施环境，确定监控器的布放数量、布放位置及深度，同时选择数据中心的布放位置；

根据养殖水域的实际情况，所述步骤001中的布放包括：固定式布放或浮标式布放。

由上述内容可知，本发明采用将水下声学被动探测技术与海岸防护装备相互融合的技术方案，使用无线通信，将监控器与数据中心相 连接，构建防护网络，实现海岸养殖区域的实施监控、报警。本发明与现有技术，具有如下显著的有益效果：

1、防护范围大：由于采用声学探测，航行船只和水中人员发出的声信号可在较远距离被发现，因此有较充裕的时间做出应对，采取有效防护措施。

2、防护效率高：该系统具有信号处理和目标识别功能，可以实现自主报警功能，可真正有效发挥防护作用，实现实时监控报警。

3、安全可靠性高：该系统一般采取浮标或直接绑缚在网箱上，无需设置大规模的防护网，因此不会发生船只、水下人员发生缠绕事故，同时采取被动探测方式，也不会干扰海洋生物。

4、成本低：由于监控器为独立设备，其体积小、重量轻，用户可根据需求同时使用多个监控器构成监控网络，并决定网络中监控器个数、空间分布、布放深度等，海上布放、回收作业难度小，安装简便。另外，由于监控器采用太阳能板供电，也大大降低了使用和维护成本。