0 引言

    隨著科技進步與人類發展，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。近些年的淺海開發很多，但是對深海的開發卻很有限。浮游生物粒徑譜反映了海洋生態系統結構、功能以及系統內部的聯系，因此具有粒徑計數功能的設備能更好地幫助進行海底環境監測和資源開發。另外，可視化技術是一種直觀的海洋觀測技術，過去可視化觀測主要依賴于傳統相機，視頻存儲依靠存儲卡，不具備實時監控功能，也無法實現長期的可視化觀測。本文設計了具有粒徑技術功能的可視化浮游生物拖網系統，同時搭載浮游生物計數器及高清攝像頭，并結合以太網傳輸解決上述問題，實現了高品質實時視頻監控以及浮游生物粒徑譜檢測，彌補了深海探測這一領域的不足。

1 系統結構

1.1 系統框架

    本系統以千兆以太網框架作為傳輸途徑，提出了一種設計方案，該系統集成了多種技術，其系統結構框圖如圖1所示。系統包括甲板視頻監控平臺和水下電子系統兩部分，其中甲板視頻監控平臺由LOPC PC端軟件、拖網甲板控制單元、甲板控制端、甲板通信機組成。另外，水下電子系統由水下控制倉、IP攝像機、LOPC主機、拖網主機和傳感器組成。

1.2 系統工作原理

    甲板視頻控制平臺與水下電子系統通過光纜連接，光纜長度約為10 km，電源通過光纜為水下電子系統提供高壓電源，甲板操作監控平臺與水下系統的數據與控制命令交互也通過光纜傳輸。

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

    LOPC主機與拖網主機通過RS-232總線與水下控制倉進行數據通信，水下控制倉將從LOPC主機、拖網主機收到的數據打包，分別通過串口轉以太網模塊及光纖收發器發送至甲板監控平臺，甲板監控平臺再將數據分別通過千兆以太網發送至LOPC上位機、拖網上位機、甲板控制端上位機，甲板控制端上位機通過千兆以太網發送指令給水下控制倉，水下控制倉根據指令控制繼電器的開斷，繼而控制控制倉外接設備的工作狀態，同時上傳控制倉內GY85九軸傳感器、高度計等傳感器數據至甲板控制端上位機并顯示。

1.3 浮游生物粒徑譜監測及生物圖像采集

    系統對浮游生物粒徑譜的監測使用了來自勞斯萊斯公司發明的激光浮游生物計數器(LOPC)及拖網應用，如圖2所示。它能為用戶提供高分辨率、高密度的實時浮游生物數據采集以及顯示，對于1 500 μm～35 000 μm范圍內的多要素浮游生物可顯示微粒的外形輪廓，浮游生物數量采集范圍高達1 000 μm～35 000 μm，并且具有很低的重復幾率。此外還能通過上位機界面實現實時的數據采集及顯示，從而使得用戶可以在線對采集的數據進行快速、高效的觀察和處理。

    本系統針對水下浮游生物的可視化監測使用了來自Imaging Source 公司23Series TIS_GigE系列DFK23G274攝像機，最高幀數達到20 f/s。視頻數據通過千兆以太網發送至甲板監控平臺，甲板監控平臺通過上位機軟件進行圖像的顯示和回放。

2 系統硬件

    系統由于需要長期工作于深海中，因此當甲板上的供電電源電壓較低時，系統的工作電流相對較大；又由于為水下系統供電的電纜較長，因而線纜上的損耗較大，導致系統功耗增加。所以本系統采用高效率的高電壓低電流模式，甲板監控平臺為水下設備提供300 V直流高壓，300 V高壓經過VICOR模塊轉換為3路24 V，并通過水下DC/DC模塊產生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、串口轉以太網模塊、光纖收發器、以太網交換機、2路搭配照明設備的高清攝像頭、拖網主機以及高度計組成，其結構組成如圖3所示。控制單元中包含提供9自由度分量參數測量的GY85九軸傳感器，4路繼電器能夠控制高清攝像頭、照明設備、高度計的工作狀態，另外還為串口轉以太網模塊提供工作電壓，控制單元通過與上位機的數據交互來控制外部設備的狀態，并上傳視頻數據、浮游生物粒徑譜數據及九軸傳感器數據至上位機，并通過人機交互界面顯示傳感器數據。

3 系統軟件設計

    系統軟件由水下控制倉程序、甲板控制端上位機程序兩部分組成。本設計程序中，下位機程序在Keil下編譯、調試，上位機程序均在Microsoft Visual Studio 2012下編譯調試。

3.1 甲板控制端上位機程序設計

    甲板控制端上位機程序設計可以分為2個步驟：

    (1)系統初始化。打開上位機后，對各個窗口組件、攝像頭進行初始化配置。

    (2)發送控制命令并接收傳感器數據。上位機對水下控制倉發送4種命令幀，對應執行4種操作，命令幀與對應操作關系如表1所示。

3.2 水下控制倉程序設計

    甲板控制端上位機程序設計可以分為3個步驟：

    (1)系統初始化。對系統時鐘及外設進行初始化配置。

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

    (3)上傳傳感器數據。水下控制倉采集好傳感器數據后，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的數據格式上傳傳感器數據（數字n代表第n路傳感器數值）。

    水下控制倉下位機程序流程圖與甲板控制端上位機程序流程圖如圖4所示。

3.3 LOPC數據

    LOPC的二進制數據流包含3種數據格式：計數數據、粒徑數據和CTD數據（或其他串行數據輸入）。數據幀的基本布局如下：

    <分隔符><幀標識><數據包><分隔符><結束符>

    分隔符采用波浪線符號(~)，幀標識是字母L、M、C，其中L代表計數數據，M代表粒徑數星號(*)。計數數據與粒徑數據的數據包是二進制格式，CTD或串行輸入數據通常是ASCII碼格式。其中粒徑數據是對浮游生物輪廓采集得到的數據，PC通過對粒徑數據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 系統安裝與測試

    將各個模塊電路在倉體內安裝完畢后進行系統測試。

    甲板控制端上位機如圖6所示，左側圖像窗口為水下高清攝像頭的數據，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1/1.8″，最高幀數達到20 f/s，為水下圖像采集提供性能上的保證。上位機右側面板顯示水下控制倉上傳的傳感器數據，并有按鈕控制水下攝像機、高度計、照明燈的工作狀態。

    LOPC上位機如圖7所示，左側直方圖顯示不同粒徑的浮游生物的個數，右側為上位機描繪的生物輪廓，下方面板為水下LOPC主機的工作狀態以及相關參數的顯示。LOPC主機與甲板控制單元有電力線載波和RS-232總線兩種通信方式，本系統采用RS-232總線方式將LOPC數據發送至水下控制倉，再通過千兆以太網發送至LOPC上位機，并進行顯示。

5 結論

    本文設計了一款基于以太網架構的具有粒徑技術功能的可視化浮游生物監測系統，這種架構大大提高了水下數據傳輸質量和速率，改善了實時性能。該系統不但能應用于深海生物觀測，同時也被應用于海洋資源的勘探、水資源污染檢測及災害預測、海底養殖觀測等諸多領域，為海洋資源開發提供了一種高效的探測方式。

參考文獻

[1] 蔡加祥，林雄偉，陳道毅，等.深海原位微顆粒觀測系統設計及實現[J].海洋工程，2015(4)：68-78.

[2] 宋倫，王年斌，宋永剛，等.遼寧近岸渾濁海域網采浮游生物的粒徑結構特征[J].應用生態學報，2013(4)：900-908.

[3] 胡宏亮，劉敬彪，章雪挺，等.基于C8051F020的生物取樣監控系統設計[J].計算機系統應用，2008(9)：70-72.

[4] ODIM公司.LOPC[EB/OL].[2010-02].http：//www.brookeocean.com/.

[5] The Imaging Source公司.The imaging source product catalog[EB/OL].[2015-06].http：//www.theimagingsource.com/.