基于物联网的电捕渔船实时侦测系统研究

2021-10-23庞新苗廖平

新型工业化 2021年7期

庞新苗，廖平

（1.湖南国防工业职业技术学院，湖南湘潭 411207；2.中南大学机电工程学院，湖南长沙 410083）

0 引言

江河鱼类资源的保护越来越迫切，我国《中华人民共和国渔业法实施细则》明确禁止对鱼类滥捕滥杀的行为，然而仍然存在非法捕鱼现象，其中高压电捕渔是一种毁灭性的、极具危险性的捕鱼方法，对鱼、对人、对环境都有着巨大的危害，主要表现为：（1）电极所到之处，不论大鱼还是小鱼全部被电死，从而造成渔业资源的进一步严重破坏[1]。（2）电击鱼还会对鱼类的食物，一些河流中栖息的无脊椎动物造成严重伤害，使鱼的生物饵料减少，间接影响渔业资源的恢复[2-3]。（3）电鱼器电死大量的鱼及其他生物，只有很少数被电鱼人带走，逐渐腐败变质，影响河流水质。当前对高压电船非法捕鱼的监控主要是用执法船巡逻的方式进行监控，但电船出现的时间和地点很有随机性。所以，研究开发出一种能及时动态对电船进行监控的无线传感器网络，并对其非法活动进行控制，已经是非常紧迫！

1 电捕渔船捕鱼信号在水中传播机理及侦测器设计

1.1 电捕渔船捕鱼信号在水中传播机理

电捕渔船的核心装置就是电鱼机，其原理就是将低电压大电流的电源变换成高电压，通过在水中电极瞬间脉冲放电。这种电鱼机发出的脉冲频率通常在50～500KHz，电压幅值高达几千伏特，所产生的电场使得周围几米水域内的鱼类被击晕。水中的电场E与与高压脉冲源幅值U和距离S的关系是[4-5]：

式中：k为水的电导率、温度等环境系数

1.2 电捕渔船捕鱼信号的捕获

球形电场测量探头是捕获脉冲电场信号的较为理想的传感器，球形电场探头由空心球体和测量电容C组成，其结构如图1所示[6]。

图1 球形电场探头结构示意图

两半球型金属电极之间通过测量电容器C连接，处于电场强度E的电场中的两半球型金属电极上出现感应电荷，测量电容上将产生电压U，该测量电压为：

R为球形传感器上的小球的半径，ε为介电常数。

1.3 电捕渔船捕鱼信号侦测器设计

为了能对电捕渔船实时监测，需设计电捕鱼信号侦测器，将非法捕鱼信息通过GPRS网络远程传输到监测中心和执法的渔政人员手机上。为了实现这一功能，侦测器的硬件结构如图2所示[7-8]。

图2 侦测器的硬件结构

由于电鱼机发出脉冲的位置距离岸边水域球形电场测量探头的距离较远，球形电场测量探头感应的电场比较弱，并且会夹杂干扰信号，必须要进行信号放大和滤波处理，如图3所示[9]。

图3 感应信号放大和滤波处理电路

GPRS通信模块采用标准RS232串口，串口速率110～230400BPS，实现与专用GPRS Modem模块数据通信[10]。

STM 32单片机是整个侦测器的控制核心，内部集成了12位的A/D转换模块，球形电场测量探头的信号放大和滤波处理输出信号Vout可直接输入到STM 32单片机的A/D转换引脚。同时，内置的串口模块直接与GPRS通信模块RS232串口进行连接。侦测器有两个按键，用于启动和停止侦测器工作。信号显示采用串口显示屏，将采集信号变成图形，供工作人员进行信号分析。STM 32单片机的主电路模块如图4所示，其PCB设计如图5[11-12]。

图4 STM32单片机的主电路模块

图5 STM32单片机电路板设计图

2 基于GPRS网的电捕渔船动态信息侦测系统设计

为了能够实时监测电捕渔船的非法捕鱼行为，应用GPRS网技术选择合适的网络测点分布，从而实现对区域电捕渔船的追踪，有效打击非法电船捕鱼，保护水资源和生态环境。为此，本文设计了基于GPRS网的电捕渔船实时侦测系统，如图6所示。

图6 基于GPRS网的电捕渔船实时侦测系统结构

GPRS Modem，它是一种实现GPRS（分组交换）通信的调制解调的设备，是一种物联网传输终端，主要是通过GPRS网络实现对侦测器采集到的信息远程传送到监测中心，监测中心对各侦测点传来的数据进行综合分析，当发现非法电捕鱼船时，及时发送非法捕鱼船的位置信息到执法的渔政人员手机上，引导执法人员快速到达执法现场[13]。