水產(chǎn)養(yǎng)殖移動式水下無線視頻系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)

引 言

水產(chǎn)養(yǎng)殖是人工控制繁殖、培育和收獲水生動植物的生產(chǎn)活動，一般包括在人工飼養(yǎng)管理條件下將苗種養(yǎng)成水產(chǎn)品的全過程。養(yǎng)殖環(huán)境和科學(xué)投喂以及魚類的大小、分布對水產(chǎn)養(yǎng)殖十分重要?？茖W(xué)投喂主要包括兩點：投喂營養(yǎng)全面的飼料，禁止投喂變質(zhì)的飼料 ；飼料的投喂須確保魚可在兩小時內(nèi)吃完，防止殘餌腐敗水質(zhì)。但傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式無法保證投食的質(zhì)量和數(shù)量。針對此情況，作品設(shè)計了一套移動式水下無線視頻系統(tǒng)，以解決靠經(jīng)驗投食、投藥無法監(jiān)測的問題。通過移動式水下無線視頻設(shè)備，人們可觀測到水下魚的分布、體重及大小等情況，在對魚類有效進行智能化養(yǎng)殖的同時，節(jié)約資源，避免污染水質(zhì)。隨著科技的發(fā)展，移動設(shè)備為魚類養(yǎng)殖監(jiān)控提供了一個更為便利的方式，可在手機、筆記本電腦及平板電腦等移動設(shè)備上隨時監(jiān)測魚類的情況，進而對魚類進行科技化管理。

本項目采用主流的嵌入式無線視頻監(jiān)測方式，并結(jié)合實際情況，提出一種移動式水下視頻實時傳輸系統(tǒng)設(shè)計方案，針對系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)采集和傳輸、視頻圖像顯示以及水下移動平臺的控制等問題，運用OpenWrt 系統(tǒng)以及視頻和運動控制應(yīng)用程序開發(fā)等技術(shù)，建立了一套成本低、無線、便于移動且性能穩(wěn)定的水下視頻傳輸系統(tǒng)。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖移動式水下無線視頻系統(tǒng)的必要性及研究意義

移動式水下無線視頻系統(tǒng)所具有的網(wǎng)絡(luò)易連通性可彌補傳統(tǒng)養(yǎng)殖的不確定性缺陷，實時監(jiān)控投喂飼料的情況，極大地保證了飼料質(zhì)量。這項研究進一步體現(xiàn)出現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)的交接，帶動了水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展。

2 移動式水下無線視頻系統(tǒng)的實現(xiàn)

移動式水下無線視頻系統(tǒng)包括監(jiān)控端、無線網(wǎng)絡(luò)和用戶端三部分。

(1) 責(zé)視頻數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)的采集和傳輸，由OpenWrt 路由器、攝像頭和接口板組成；

(2) 網(wǎng)絡(luò)負責(zé)將本地監(jiān)控端數(shù)據(jù)傳送至遠程用戶端（借助局域網(wǎng)或因特網(wǎng)）；

(3) 用戶端上位機軟件或網(wǎng)頁負責(zé)實時顯示監(jiān)控端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并可根據(jù)監(jiān)控人員的需要對遠程監(jiān)控端進行控制。上位機硬件平臺可選用筆記本電腦、手機、平板電腦等。

2.1 無線視頻的實現(xiàn)

根據(jù)當(dāng)前形勢，本文提出運用 WiFi 進行視頻傳輸，并 通過 IP 地址進行遠程監(jiān)控的無線監(jiān)控方案。首先分析 802.11 協(xié)議的結(jié)構(gòu)、無線幀的形成過程，再根據(jù)實際需求選擇相 應(yīng)的硬件模塊構(gòu)建網(wǎng)站或 PC 客戶端，其中 CHD-T5 是一款 2.4 GHz，150 Mbit/s 中端 WiFi 多媒體模塊。模塊可同時支持 WiFi 轉(zhuǎn)視頻，WiFi 轉(zhuǎn)串口，WiFi 轉(zhuǎn) GPIO；WiFi 轉(zhuǎn) I2C 功能。 一般免驅(qū) USB 攝像頭都可以直接接入模塊，進行無線視頻數(shù) 據(jù)采集。CHD-T5 支持 AP，STA，AP 與 STA 兼容（WiFi 萬 能中繼）三種模式，能滿足各種應(yīng)用環(huán)境。硬件封裝提供插 針（DIP 30 mm×48 mm）與貼片（SMT 28 mm×48 mm）兩 種，具有體積小、性能強大、數(shù)據(jù)吞吐量大等特點。客戶在 接收播放視頻時存在不連貫的現(xiàn)象，因此需對視頻播放不連 貫現(xiàn)象進行分析與優(yōu)化。首先應(yīng)分析視頻幀數(shù)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)、 延時幀數(shù)、視頻幀率等參數(shù)，然后通過調(diào)節(jié)參數(shù)來控制幀率， 實現(xiàn)視頻播放連貫的效果，最后檢驗 WiFi 無線監(jiān)控方案的實 施效果，并對幀率控制效果進行測試，使測試結(jié)果滿足方案 設(shè)計的要求。無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案如圖 1 所示。

2.1.1 WiFi 點

802.11 協(xié)議是 IEEE 802 工作組定義的第一個被國際組織 認可的無線局域網(wǎng)通信協(xié)議，采用2.4 GHz 和 5 GHz ISM 頻段。 802.11 協(xié)議的無線局域網(wǎng)具有易部署、構(gòu)建快速和靈活等特點， 這是傳統(tǒng)有限局域網(wǎng)不具備的。本 WiFi 模塊支持的無線協(xié)議 標準包括 IEEE 802.11n，IEEE 802.11g，IEEE 802.11b。

現(xiàn)階段，WiFi 已擺脫電纜的束縛，可通過無線媒介來傳 播信息，在降低網(wǎng)絡(luò)配置成本的同時，使得組網(wǎng)方式更加靈活。 從硬件設(shè)備的要求來看，通過 WiFi 組建局域網(wǎng)相比有線網(wǎng)絡(luò) 更加簡潔，當(dāng)前市場上支持 WiFi 的設(shè)備很普遍，各種不同品 牌的無線 AP 和客戶端之間都可以相互進行操作。且全球使用 統(tǒng)一的 WiFi 標準，因此在世界任何一個地方都可以使用這一 服務(wù)。

2.1.2 系統(tǒng)功能

該模塊移植了 OpenWrt 系統(tǒng)，OpenWrt 是一個高度模塊 化、自動化的嵌入式 Linux 系統(tǒng)，擁有強大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴 展性，用戶可以方便、快速地定制一個具有特定功能的嵌入 式系統(tǒng)來制作固件。根據(jù)系統(tǒng)方案，編譯了一個包含 kmod- video-core，mjpg-streamer 和 ser2net 組件的固件系統(tǒng)，分別提 供視頻設(shè)備驅(qū)動、視頻服務(wù)器和串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口功能。

網(wǎng)站總體架構(gòu)設(shè)計方案如圖 2 所示。

2.2 移動式觀測顯示

作品結(jié)合無線視頻系統(tǒng)的實現(xiàn)以及水產(chǎn)養(yǎng)殖的相關(guān)數(shù)據(jù) 所編寫的程序與可視化網(wǎng)頁，可方便人們在終端設(shè)備上實時監(jiān) 控魚等水產(chǎn)的生長及其行為。

作品的顯示包括以下兩個方面：

（1）手機客戶端的顯示。手機與水下的 WiFi 模塊共同連 接一個路由器節(jié)點，使水下情況在手機上顯示。

（2）電腦網(wǎng)站上的顯示。我們采用 Dreamweaver CS6 來 制作前臺頁面，用 PHP 編程語言進行后臺的編寫，進而把路 由器的相連熱點與網(wǎng)站相結(jié)合，實現(xiàn)信息在網(wǎng)站上的顯示。

2.3 水下檢測的基礎(chǔ)

由于作品主要在水下通過攝像頭對魚類進行研究，因此， 水下攝像頭需具有外殼密封、穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)和美觀等特點。我 們采用的攝像頭外殼呈雨滴形，整體的流線使攝像頭在水下也 具有較強的穩(wěn)定性。外殼主要分為上下兩部分，上部分作為蓋 子方便攝像頭放入，下部分將雨滴的內(nèi)部進行劃分，從而實現(xiàn) 攝像頭的穩(wěn)定放置，同時下部分還具有一個封閉的凹槽，可手 擰螺絲對外殼位置進行調(diào)節(jié)實現(xiàn)密封。雨滴上部留有一個小孔， 用于與外部天線連通。外殼模型俯視圖如圖 3 所示。

2.3.1 良好的密封性

利用軟件將預(yù)想外殼繪制出來，在設(shè)計過程中計算好每 一個數(shù)據(jù)，確保模型沒有漏洞。通過 3D 打印，將攝像頭放置 在外殼下部，用膠水將兩部分粘在一起實現(xiàn)封閉，通過手擰 螺絲對外殼進行調(diào)節(jié)。設(shè)計一個凹槽，并在凹槽外部添加一 個皮墊，不僅能固定外殼，還可防止進水，進一步提高了外殼 的封閉性。

2.3.2 優(yōu)越的穩(wěn)定性

外殼內(nèi)部放置有攝像頭，外殼外部放置在具有游動的魚 的水中，以保證攝像頭錄制的清晰度與穩(wěn)定性。作品采用具有 強穩(wěn)定性的流線型雨滴結(jié)構(gòu)作為外殼的整體結(jié)構(gòu)。在水中放 置一個有等間距孔的桿子，通過手擰螺絲經(jīng)外殼上的皮墊將 外殼固定其上，從而使外殼完全固定在水中，保證攝像頭能夠 清晰并穩(wěn)定地攝像。

2.3.3 突出的可調(diào)節(jié)性

作品的外殼與攝像頭主要放置在水下對魚類的情況進行 觀測，而不同種類的魚的生活水層各不相同，考慮到此問題， 作品采用將外殼與手擰螺絲相結(jié)合的方式，利用放置在水中 的一個具有等間距孔的桿子，將手擰螺絲與外殼固定起來， 可通過手擰螺絲穿過水中不同高度的孔來調(diào)節(jié)外殼中攝像頭 拍攝的水層范圍。外殼膜性側(cè)視圖如圖 4 所示。

2.3.4 美觀性

不同于市場上造型單一的攝像頭，本文設(shè)計的作品采用 流線型雨滴樣式，更具有代表性、吸引力，且更美觀。

3 系統(tǒng)運用結(jié)果

該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于大型水產(chǎn)養(yǎng)殖中。水下攝像頭良好 的外殼密封性、穩(wěn)定性、靈活性等優(yōu)勢使得其可清晰拍攝位 于不同水層的魚類，無線視頻實現(xiàn)了水下監(jiān)控魚類行為的目標， 可對魚的行為、進食等進行全面監(jiān)控，使傳統(tǒng)的水下養(yǎng)殖實 現(xiàn)了一定程度的科技化。利用網(wǎng)頁編輯器以及編寫語言實現(xiàn)了 可視化網(wǎng)頁的展現(xiàn)。

4 結(jié) 語

在未來經(jīng)濟、科技的發(fā)展中，水產(chǎn)養(yǎng)殖的速度會越來越快， 因此水下無線視頻與水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)系也會更加密切。WiFi 是 本文提出的移動式水下無線視頻系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，符合網(wǎng)絡(luò) 信息時代的發(fā)展潮流。如果數(shù)據(jù)量較大，還可在用戶端或監(jiān) 控端加入處理設(shè)備，去掉冗余數(shù)據(jù)，使顯示的數(shù)據(jù)更具可讀 性和準確性。而無線視頻的設(shè)計也將成為另一個熱點。