一种基于紫蜂与信息转发技术的鱼类放流标志系统及方法与流程

本发明涉及野生动物标志定位技术领域，特别是涉及一种基于紫蜂与信息转发技术的鱼类放流标志系统及方法。

背景技术：

标志放流(tagged releasing)最早采用于17世纪，是研究鱼类洄游和鱼类资源的一种重要方法。其做法是：在捕获的鱼类活体做上标记后放回自然水域，再通过生产船只或调查船只重捕或追踪的过程。通过对重捕鱼的统计数据来研究鱼类的洄游、分布、生长和资源等状况。此外，根据鱼类标志放流的结果还可估算鱼类种群数量变动。现在用标志方法的研究对象不再仅限于鱼类，已扩展到多种野生动物，本发明中的鱼类标志，同样可用于其他野生动物。

鱼类标志放流的方法有很多种，传统的标志放流是指通过切鳍、穿孔、烙印、颜料染色、体外标等方法产生肉眼可分辨的标志鱼体。对于一条鱼，传统标志法一般可以获得放流和捕获两个地址，要获得洄游路线，需要对同一种群多条鱼标志，通过不同时间的多次捕捞描绘出洄游路径。

对于大洋性鱼类，由于活动范围广阔，造成重捕困难，以上方法难以获得很好的效果。随着科技的发展，GPS成为常用的定位方式，但由于鱼类长期生活在水下，影响了电磁波的传播，鱼类的标志不能通过GPS对其定位。采用声学定位方式其作用范围一般在百米的量级，对于大洋性的洄游鱼类的，理论上利用大量的水听设备或者有船只跟踪侦听，可实现全程跟踪定位，但由于范围太广，实际操作几乎不可能实现。

随着科学技术的发展，特别是电子技术的迅速发展，标志放流与现代电子技术相结合产生一些新的标志技术和方法，档案式标记法和浮起式(POP-UP)卫星标志法就是常见的两种。

将微型电子仪器固定在被标志鱼体上，通过其上的传感器记录周围的环境参数：温度、亮度、压强等，就构成了电子档案式标志；给档案式标志加上可以自动浮起的锚系装置和卫星通讯装置就构成了浮起式卫星标志。利用电子档案式标志记录的被标识鱼周围环境数据，可以反演出被标志鱼类的生活习性，如：通过压强数据可获得鱼类生活的深度；利用标志上传感器获得的亮度数据，通过一定的算法可以得到其位置。因此可以获得较为完整的标志鱼类生活数据。浮起式卫星标志通过卫星传输数据，不需要重捕鱼类，回收标志本身，大大提高了数据回收率，越来越受到科研工作者的重视。

现有浮起式卫星标志的缺点：首先，为降低卫星通讯的技术难度，浮起式卫星标志采用低轨卫星传输数据，低轨卫星由于过境时间短，通讯速率低，造成数据传输的不完整，往往用户获得的数据只是标志本身采集数据的一个子集，还有大量的珍贵数据没有上传给用户。其次，尽管采用低轨卫星可以降低标志的通讯功耗，但其所需的功率仍较大，一般在1～5瓦，需要配备大容量电池，数据传输模块体积也较大，这决定了浮起式卫星标志的体积和重量都比较，只适用于标志大型鱼类。

紫蜂协议(简称“ZigBee”)是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。相邻节点间的传输距离一般在10～100m之间，在增加发射功率后，可增加到1～3km。ZigBee具有自组织网功能，采用动态路由的方式将节点组成一个通讯网络，通过路由和节点间通信的接力，传输距离可以更远。可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于紫蜂与信息转发技术的鱼类放流标志系统及方法，能够减小放流标志的体积和重量，使其具有更好的适用性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于紫蜂与信息转发技术的鱼类放流标志系统，包括转发设备和多个标志，所述标志采用带有Zigbee功能的主控芯片制成；所述转发设备包括由蓄电池供电的控制单片机、Zigbee通讯模块和卫星通讯模块；所述控制单片机用于控制所述Zigbee通讯模块和卫星通讯模块；所述Zigbee通讯模块用于与所述标志建立Zigbee通信连接；所述卫星通讯模块用于与卫星进行通信连接。

所述主控芯片还连接有锚系释放装置、压强传感器、温度传感器和亮度传感器。

所述主控芯片选用TI公司的CC2630模块。

所述转发设备安装在船只或浮标上。

所述转发设备还包括太阳能电池；所述太阳能电池通过充电控制器与所述蓄电池相连。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种上述基于紫蜂与信息转发技术的鱼类放流标志系统的使用方法，所述标志工作时包括以下步骤：系统初始化设置；接收外界数据，校准实时时钟，设置温度、压强、亮度的采样间隔，设置浮起时间；启动定时器开始计时；开启定时中断进行数据采集；进入休眠模式；所述转发设备工作时包括以下步骤：系统初始化设置；开启Zigbee通讯模块，监听是否有标志发出的广播信息；如果收到广播信息则与标志建立通信连接并命令标志上传采集到的数据，否则保持监听状态；将收到的标志上传的数据进行暂存，并在数据发送完毕后开启卫星通讯模块，并将暂存的数据通过卫星通讯上传。

所述定时中断进行数据采集具体包括以下步骤：将主控芯片内部计数器的计数与采样间隔数据进行比较：若到达采样间隔时间，则开启传感器，进行数据采集，并读取实时时钟，记录采集时间，存储采集的数据和采集时间，并将主控芯片内部计数器的计数清零；若没有到达采样间隔时间，则比较实时时钟的时间和预置的浮起时间，若没有到达浮起时间则休眠，若到达浮起时间则启动锚系装置，释放标志，使得标志上浮，并开启Zigbee功能进行广播，并在与转发设备建立Zigbee通信连接后上传采集的数据。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：1.由于采用Zigbee技术，相对于现有的卫星放流标志，本发明的放流标志对供电的需求减小，可以换用更小的电池，缩小标志体积，扩大了标志的使用范围，可用于体型更小的鱼类标志放流。2.由于采用了信息转发技术，转发设备可以安装在船只或者浮标上，船只上供电不成问题，浮标也可以采用太阳能供电，两者都有充足的电能供应，因此可以采用通讯功率较大的同步卫星或者铱星进行数据传输。传输速率高，传输时间长，可以将标志上传给转发设备的全部信息上传到用户，而不是象现有的卫星标志，由于通讯时间和速率的限制，只能将部分采集数据上传。3.相对于采用低功耗蓝牙作为标志与转发浮标之间通讯方式的方案相比，Zigbee的传输距离更远，还可以通过自组织网络进行信息转发，进一步扩大了信息传输距离。

附图说明

图1是本发明系统结构图；

图2是标志内部结构图；

图3转发设备内部结构图；

图4标志主程序流程图；

图5标志中断服务程序流程图；

图6转发浮标程序流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于紫蜂与信息转发技术的鱼类放流标志系统，如图1所示，包括转发设备和多个标志，所述标志采用带有Zigbee功能的主控芯片制成；所述转发设备包括由蓄电池供电的控制单片机、Zigbee通讯模块和卫星通讯模块；所述控制单片机用于控制所述Zigbee通讯模块和卫星通讯模块；所述Zigbee通讯模块用于与所述标志建立Zigbee通信连接；所述卫星通讯模块用于与卫星进行通信连接。

当标志从鱼体脱落上浮后，会启动Zigbee通讯，通过Zigbee技术将信息传递到具有存储转发功能的信息转发设备上，再利用转发设备进行信息转发，转发设备接收到数据后可将信息通过卫星传输到用户。

转发设备可以安装在船只上，也可以安装在小型浮标上。通过船只或者浮标供电工作，安装在船只上的转发设备可以不带有卫星通讯设备，直接将接收到的标志数据存储或者通过蓝牙设备转发给用户；安装在浮标上的转发设备通过自带的卫星通讯设备进行数据的转发。

下面以一个具体的实施例来进一步说明本发明。

本实施例选用TI公司的CC2630模块作为主控芯片，其具有Zigbee通信传输功能。CC2630在芯片上整合了ARM Cortex-M3MCU、闪存/RAM、模拟数字转换器、外围、传感器控制器以及内建的稳固耐用防护。在RTC运行RAM/CPU保持的情况下，待机电流为1μA，关闭状态下(外部事件唤醒)的电流仅100nA，可以满足放流标志的低功耗要求。CC2630还自带UART、SPI、I²C等接口，便于连接传感器。

标志的内部结构如图2所示，图中浅色连线表示电源供电，深色连线表示数据传送。整个标志内部电路围绕2630芯片展开，芯片外有供电电池、非易失固态存储、锚系释放装置、压强传感器、温度传感器和亮度传感器等几部分组成。这几部分的作用与市售的浮起式卫星标志的类似。本发明的Zigbee标志也设计密度稍小于水，在锚系释放装置动作后，可以自动浮出水面，并保持天线直立向上的状态。标志的Zigbee模块配置为全功能设备(FFD)，具有全功能节点功能，既可以作为终端节点传输本标志内的采集数据，又具有路由功能，在本机采集信息上传完毕后，作为路由器使用，负责建立其他标志到转发浮标之间信息通路。

标志内部程序流程图如图4所示，系统加电后，首先进行系统初始化，设置系统实时时钟(RTC)、采集间隔、浮起时间等系统参数，其中采集间隔以1秒为单位递加，在程序内部设置有温度计数器，压强计数器和亮度计数器，并设置温度采集间隔，压强采集间隔和亮度采集间隔三个变量，设置采集间隔，就是设置这三个变量的值；设置温度计数器、压强计数器和亮度计数器。然后启动定时器，开启定时器中断后，进入休眠状态。

在休眠过程中，定时器继续工作，定时器设置1秒钟产生一次中断，产生中断后进入中断服务程序，中断服务程序流程如图5所示。首先对温度计数器，压强计数器和亮度计数器执行加1操作，然后与对应的采集间隔变量比较，小于采集间隔则不进行该参数的采集，否则进行该参数的采集，并记录采集时间，然后将计数器清零。释放浮起事件由设定的浮起时间和内部RTC决定：对比当前RTC时间与浮起时间，如果RTC时间等于或者超过设置的浮起时间，则启动锚系装置，标志上浮，上浮后，系统开启Zigbee通讯，对外发出信号，等待转发浮标指令，收到转发浮标的上传数据指令后，开始传输数据。如没有到达浮起时间，系统继续转入休眠。

Zigbee放流标志工作的具体流程如下：

1.主程序流程(如图4所示)：

a.上电，主程序启动工作；

b.系统初始化，设置时钟频率、基本IO口工作状态等；

c.接收外界数据，校准实时时钟(RTC)，设置温度、压强、亮度等参量的采样间隔，设置浮起时间；

d.启动定时器开始计时；

e.开启定时中断；

f.进入休眠状态。

在单片机休眠期间，可以被定时器中断唤醒，即当定时器到达定时时间，单片机都会退出休眠状态，转入对应的中断服务程序；执行完中断服务程序后，继续休眠，以节省电能。

2.定时中断服务程序(如图5所示)：

a1.退出休眠模式；

b1.关闭总中断，防止程序执行过程中受到干扰；

c1.温度计数器加1；

d1.压强计数器加1；

e1.亮度计数器加1；

f1.将温度计数器数字与温度采样间隔数据进行比较：若到达采样间隔时间，则开启温度传感器，进行温度数据采集，读取RTC，记录采集时间，存储采集的温度数据和采集时间，将温度计数器清零；若没有到达采样间隔时间，则转到g1；

g1.将压强计数器数字与压强采样间隔数据进行比较：若到达采样间隔时间，则开启压强传感器，进行压强数据采集，读取RTC，记录采集时间，存储采集的压强数据和采集时间，将压强计数器清零；若没有到达采样间隔时间，则转到h1；

h1.将亮度计数器数字与亮度采样间隔数据进行比较：若到达采样间隔时间，则开启亮度传感器，进行亮度数据采集，读取RTC，记录采集时间，存储采集的亮度数据和采集时间，将亮度计数器清零；若没有到达采样间隔时间，则转到i1；

i1.比较RTC时间和预置的浮起时间，若没有到达浮起时间则转到j1，若到达浮起时间则转到m1；

j1.开启总中断

k1.休眠；

m1.启动锚系装置，释放标志，标志上浮；

n1.开启Zigbee模块，进行广播；

o1.监听，如果收到建立链接回应，则转到；没有收到建立链接回应则转到n1；

p1.建立链接，传输数据；

q1.数据传输完毕，本标志启动路由功能，在自组织网络进行信息转发，以扩大网络覆盖范围。

本实施例采用小型海洋浮标技术制作转发浮标，浮标的内部结构如图3所示，图中浅色连线表示电源供电，深色连线表示数据传送。浮标主要包括供电系统、单片机组成的控制系统、通讯系统三部分，其中：供电系统由太阳能电池、充电控制和蓄电池组成的组成；控制系统由低功耗单片机组成；通讯系统由Zigbee模块和卫星通讯模块组成，Zigbee模块配置为协调器工作方式，相当于有线局域网中的服务器，具有对本网络的管理能力。

浮标内部程序流程图如图6所示，系统加电后，首先进行系统初始化，然后开启Zigbee模块进行监听，当收到标志发出的广播信号后，对标志发出上传数据指令，然后开始接收标志上传的数据并将数据暂存到存储器，数据接收完毕后，开启卫星通讯模块，将接收暂存的数据上传到用户。

信息转发浮标工作的具体流程如下：

a2.上电，主程序启动工作；

b2.系统初始化，设置Zigbee模块、卫星通讯模块的工作状态等；

c2.开启Zigbee模块，监听是否有Zigbee标志发出的广播信息；

d2.收到Zigbee标志发出的广播信息，转到e2，没有收到广播信息，转到c2，继续监听；

e2.与Zigbee标志建立链接发送指令，命令标志上传采集到的数据；

f2.将接收到的数据暂存；

g2.与标志沟通，判断是否数据发送完毕，如发送完毕转h2，没有发送完毕转e2；

h2.开启卫星通讯模块；

i2.将接收暂存的数据，通过卫星通讯上传；

j2.数据传输完毕，转c2。

不难发现，本发明的放流标志对供电的需求减小，可以换用更小的电池，缩小标志体积，扩大了标志的使用范围，可用于体型更小的鱼类标志放流。