0 引言

    随着科技进步与人类发展，人类日益增加的资源消耗与陆地资源逐渐匮乏的矛盾越来越突出。近些年的浅海开发很多，但是对深海的开发却很有限。浮游生物粒径谱反映了海洋生态系统结构、功能以及系统内部的联系，因此具有粒径计数功能的设备能更好地帮助进行海底环境监测和资源开发。另外，可视化技术是一种直观的海洋观测技术，过去可视化观测主要依赖于传统相机，视频存储依靠存储卡，不具备实时监控功能，也无法实现长期的可视化观测。本文设计了具有粒径技术功能的可视化浮游生物拖网系统，同时搭载浮游生物计数器及高清摄像头，并结合以太网传输解决上述问题，实现了高品质实时视频监控以及浮游生物粒径谱检测，弥补了深海探测这一领域的不足。

1 系统结构

1.1 系统框架

    本系统以千兆以太网框架作为传输途径，提出了一种设计方案，该系统集成了多种技术，其系统结构框图如图1所示。系统包括甲板视频监控平台和水下电子系统两部分，其中甲板视频监控平台由LOPC PC端软件、拖网甲板控制单元、甲板控制端、甲板通信机组成。另外，水下电子系统由水下控制仓、IP摄像机、LOPC主机、拖网主机和传感器组成。

1.2 系统工作原理

    甲板视频控制平台与水下电子系统通过光缆连接，光缆长度约为10 km，电源通过光缆为水下电子系统提供高压电源，甲板操作监控平台与水下系统的数据与控制命令交互也通过光缆传输。

    甲板操作监控平台上的PC主机用于显示浮游生物形态图像及粒径谱数据。水下控制仓用于控制摄像机、探照灯、高度计等设备的工作状态，控制命令通过甲板操作监控平台发送控制命令进行控制；水下电源转换模块将高压转换为各个模块所需的工作电压；光纤转换器用于光/电信号的转换，方便光缆与以太网电缆的转接；串口转以太网模块配合光纤转换器和交换器将以太网电缆信号与串口信号互相转换，从而连接甲板操作监控平台与水下控制单元的通信；交换机用于各个模块与设备的连接。

    LOPC主机与拖网主机通过RS-232总线与水下控制仓进行数据通信，水下控制仓将从LOPC主机、拖网主机收到的数据打包，分别通过串口转以太网模块及光纤收发器发送至甲板监控平台，甲板监控平台再将数据分别通过千兆以太网发送至LOPC上位机、拖网上位机、甲板控制端上位机，甲板控制端上位机通过千兆以太网发送指令给水下控制仓，水下控制仓根据指令控制继电器的开断，继而控制控制仓外接设备的工作状态，同时上传控制仓内GY85九轴传感器、高度计等传感器数据至甲板控制端上位机并显示。

1.3 浮游生物粒径谱监测及生物图像采集

    系统对浮游生物粒径谱的监测使用了来自劳斯莱斯公司发明的激光浮游生物计数器(LOPC)及拖网应用，如图2所示。它能为用户提供高分辨率、高密度的实时浮游生物数据采集以及显示，对于1 500 μm～35 000 μm范围内的多要素浮游生物可显示微粒的外形轮廓，浮游生物数量采集范围高达1 000 μm～35 000 μm，并且具有很低的重复几率。此外还能通过上位机界面实现实时的数据采集及显示，从而使得用户可以在线对采集的数据进行快速、高效的观察和处理。

    本系统针对水下浮游生物的可视化监测使用了来自Imaging Source 公司23Series TIS_GigE系列DFK23G274摄像机，最高帧数达到20 f/s。视频数据通过千兆以太网发送至甲板监控平台，甲板监控平台通过上位机软件进行图像的显示和回放。

2 系统硬件

    系统由于需要长期工作于深海中，因此当甲板上的供电电源电压较低时，系统的工作电流相对较大；又由于为水下系统供电的电缆较长，因而线缆上的损耗较大，导致系统功耗增加。所以本系统采用高效率的高电压低电流模式，甲板监控平台为水下设备提供300 V直流高压，300 V高压经过VICOR模块转换为3路24 V，并通过水下DC/DC模块产生12 V、5 V、3.3 V电压，为不同的模块供电。

    水下控制仓由控制单元、电源模块、串口转以太网模块、光纤收发器、以太网交换机、2路搭配照明设备的高清摄像头、拖网主机以及高度计组成，其结构组成如图3所示。控制单元中包含提供9自由度分量参数测量的GY85九轴传感器，4路继电器能够控制高清摄像头、照明设备、高度计的工作状态，另外还为串口转以太网模块提供工作电压，控制单元通过与上位机的数据交互来控制外部设备的状态，并上传视频数据、浮游生物粒径谱数据及九轴传感器数据至上位机，并通过人机交互界面显示传感器数据。

3 系统软件设计

    系统软件由水下控制仓程序、甲板控制端上位机程序两部分组成。本设计程序中，下位机程序在Keil下编译、调试，上位机程序均在Microsoft Visual Studio 2012下编译调试。

3.1 甲板控制端上位机程序设计

    甲板控制端上位机程序设计可以分为2个步骤：

    (1)系统初始化。打开上位机后，对各个窗口组件、摄像头进行初始化配置。

    (2)发送控制命令并接收传感器数据。上位机对水下控制仓发送4种命令帧，对应执行4种操作，命令帧与对应操作关系如表1所示。

3.2 水下控制仓程序设计

    甲板控制端上位机程序设计可以分为3个步骤：

    (1)系统初始化。对系统时钟及外设进行初始化配置。

    (2)接收上位机指令并控制。水下控制仓接收到控制命令后，判断是否为心跳信号，在1分钟内未接收到心跳信号，系统将切断所有外接传感器的电源；接收到操作指令，则完成对应操作。

    (3)上传传感器数据。水下控制仓采集好传感器数据后，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的数据格式上传传感器数据（数字n代表第n路传感器数值）。

    水下控制仓下位机程序流程图与甲板控制端上位机程序流程图如图4所示。

3.3 LOPC数据

    LOPC的二进制数据流包含3种数据格式：计数数据、粒径数据和CTD数据（或其他串行数据输入）。数据帧的基本布局如下：

    <分隔符><帧标识><数据包><分隔符><结束符>

    分隔符采用波浪线符号(~)，帧标识是字母L、M、C，其中L代表计数数据，M代表粒径数星号(*)。计数数据与粒径数据的数据包是二进制格式，CTD或串行输入数据通常是ASCII码格式。其中粒径数据是对浮游生物轮廓采集得到的数据，PC通过对粒径数据的分析处理得到浮游生物轮廓图像，浮游生物轮廓图像如图5所示。

4 系统安装与测试

    将各个模块电路在仓体内安装完毕后进行系统测试。

    甲板控制端上位机如图6所示，左侧图像窗口为水下高清摄像头的数据，并提供录像功能，GigEthernet摄像头采用了索尼公司的ICX274 CCD传感器，感光尺寸高达1/1.8″，最高帧数达到20 f/s，为水下图像采集提供性能上的保证。上位机右侧面板显示水下控制仓上传的传感器数据，并有按钮控制水下摄像机、高度计、照明灯的工作状态。

    LOPC上位机如图7所示，左侧直方图显示不同粒径的浮游生物的个数，右侧为上位机描绘的生物轮廓，下方面板为水下LOPC主机的工作状态以及相关参数的显示。LOPC主机与甲板控制单元有电力线载波和RS-232总线两种通信方式，本系统采用RS-232总线方式将LOPC数据发送至水下控制仓，再通过千兆以太网发送至LOPC上位机，并进行显示。

5 结论

    本文设计了一款基于以太网架构的具有粒径技术功能的可视化浮游生物监测系统，这种架构大大提高了水下数据传输质量和速率，改善了实时性能。该系统不但能应用于深海生物观测，同时也被应用于海洋资源的勘探、水资源污染检测及灾害预测、海底养殖观测等诸多领域，为海洋资源开发提供了一种高效的探测方式。

参考文献

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