CN113785790B - 一种带有网衣破损监测与定位模块的网箱 - Google Patents

一种带有网衣破损监测与定位模块的网箱 Download PDF

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Abstract

本发明属于海洋网箱养殖技术领域，具体涉及一种带有网衣破损监测与定位模块的网箱。本发明基于电场线映射技术，采用埋线法通过金属导线的通断检测网衣的破损，在网衣破损内部金属导线外露时，金属导线会与海水、金属棒电极形成回路，在海水中产生一定的电流，电流传感器检测模块将检测到的电流数据上传至水上监测中心，水上监测中心通过矢量合成法分析计算网衣破损处的角度和高度的具体值，并以短信形式将破损位置告知养殖人员，实现渔网的故障报警。

Description

一种带有网衣破损监测与定位模块的网箱
技术领域
本发明属于海洋网箱养殖技术领域，具体涉及一种带有网衣破损监测与定位模块的网箱。
背景技术
由于在日常生活中对于海产品的需求量、食用量与日俱增，带动了海产品养殖业的发展。但随着先进技术对海洋的过度开发与利用，近年来的海洋渔业资源已经呈现出衰竭的趋势，传统的海产品养殖的弊端也愈发明显。网箱(围网)养殖技术以其集约化、高产量及可控制等优势被广泛应用。但对于长时间浸泡在海水中的渔网来说，会因为生物附着、撕咬或海流的涌动而破损，若渔民不能及时发现，会造成大量养殖产品的逃逸以及巨大的经济损失，严重时甚至产生物种污染。因此，渔网破损检测技术是网箱(围网)养殖技术进一步发展的重要技术支撑。
针对渔网破损检测问题的研究，国内外专家提出了以下几种不同的实施方案。美国、挪威在网箱中央安置了一个可上下升降的水下摄像头，通过摄像头拍摄的图片及视频资料确定渔网破损的位置并及时进行修复。但该技术受海水因素影响较大，当水质比较浑浊或海流较为湍急时，摄像头无法拍摄到清晰的渔网画面。日本采用声呐技术，当渔网破损时，其内外的声波反射图像会发生显著变化，但也只有在海产品大量逃逸时才可被发现，不具有实时性，投资高且无法准确定位。目前国内针对大型网箱或围网进行破损检测主要是采用专业人员下潜进行探测排查的方式，操作效率低、过程繁琐且存在一定的安全隐患。考虑到水产养殖业的成本，操作效率以及安全问题，上述方案仅在理论上具有显著优势，在工程应用能力上较为薄弱。
发明内容
本发明的目的在于提供可对近海养殖所使用的渔网进行破损监测与定位的一种带有网衣破损监测与定位模块的网箱。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：所述的网衣破损监测与定位模块包括稳压直流电源、传感器检测模块、数据传输模块和水上监测中心；所述的稳压直流电源为传感器检测模块和网箱的网衣供电；所述的传感器检测模块包括金属棒；所述的金属棒的圆周上通过塑料支架均匀固定有N层电流传感器组，N层电流传感器组沿金属棒长度方向等间隔分布，所有电流传感器均通过数据传输模块与水上监测中心通信；所述的金属棒上端与稳压直流电源连接，金属棒下端作为电极裸露在海水中；所述的网衣由网衣线组成，网衣线采用金属埋线法制成，网衣线内部含有绝缘线包裹的金属导线；当网箱的网衣未破损时，稳压直流电源、金属棒和网衣构成断路，海水中存在的微弱电离子不足以被电流传感器检测到；当网衣发生破损，内部金属导线露出时，网衣破损处和金属棒电极通过海水导电构成连通回路，各电流传感器将检测到的电流数据通过数据传输模块上传至水上监测中心，水上监测中心计算网衣破损处的角度和高度的具体数值。
本发明还可以包括：
所述的水上监测中心计算网衣破损处的角度和高度的具体数值的方法具体为：
水上监测中心根据网箱的俯视图模拟建立了空间直角坐标系[X,Y]，海水电导率为3.54S/m，用矢量长度等效替代电流强度，用传感器所在圆周位置的法线方向等效替代电流方向，在坐标系上标出电流I1(k),I2(k),I3(k),I4(k)，根据矢量合成法则得到等效电流I(k)，其最大值的下标参数k为
Figure BDA0003253636260000021
根据上述计算得到等效电流I(k)的最大值所对应的k值，将k值与第k组传感器组的深度值对应起来，传感器组的深度即代表了破损点的深度z：
Figure BDA0003253636260000022
破损点与X轴正方向所成的夹角θ为：
Figure BDA0003253636260000023
根据破损点的深度z、破损点与X轴正方向所成的夹角θ确定出以金属棒为中心的网衣破损点的具体位置。
所述的网衣线包括3层，最外层为渔网线，中间层为绝缘线，最内层为金属导线，3层线采用不同颜色。
所述的数据传输模块包括4通道模/数转换器ADC和串口通信单元，采用ADC方式对海水中的电流信号进行采样，将电流的模拟信号转换为数字信号，然后通过串口通信单元将数据上传至水上监测中心进行处理。
本发明的有益效果在于：
本发明基于电场线映射技术，采用埋线法通过金属导线的通断检测网衣的破损，在网衣破损内部金属导线外露时，金属导线会与海水、金属棒电极形成回路，在海水中产生一定的电流，电流传感器检测模块将检测到的电流数据上传至水上监测中心，水上监测中心通过矢量合成法分析计算网衣破损处的角度和高度的具体值，并以短信形式将破损位置告知养殖人员，实现渔网的故障报警。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明中网衣线的示意图。
图3为本发明中网衣破损监测与定位模块的正视图。
图4为本发明中网衣破损监测与定位模块的俯视图。
图5为本发明中对每组电流传感器上传的数据采取的电流矢量合成图。
图6为本发明的实施流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明的目的是对近海养殖所使用的渔网进行破损监测与定位，并将破损位置的具体信息实时告知养殖人员，提醒其按给定位置及时进行修补，从而降低鱼类逃逸造成的经济损失。本发明基于电场线映射技术，采用埋线法通过金属导线的通断检测网衣的破损，在网衣破损内部金属导线外露时，金属导线会与海水、金属棒电极形成回路，在海水中产生一定的电流。电流传感器检测模块将检测到的电流数据上传至上位机，上位机通过矢量合成法则分析计算网衣破损处的角度和高度的具体值，并以短信形式将破损位置告知养殖人员，实现渔网的故障报警。
一种带有网衣破损监测与定位模块的网箱，所述的网衣破损监测与定位模块包括稳压直流电源、传感器检测模块、数据传输模块和水上监测中心；所述的稳压直流电源为传感器检测模块和网箱的网衣供电；所述的传感器检测模块包括金属棒；所述的金属棒的圆周上通过塑料支架均匀固定有N层电流传感器组，N层电流传感器组沿金属棒长度方向等间隔分布，所有电流传感器均通过数据传输模块与水上监测中心通信；所述的金属棒上端与稳压直流电源连接，金属棒下端作为电极裸露在海水中；所述的网衣由网衣线组成，网衣线采用金属埋线法制成，网衣线内部含有绝缘线包裹的金属导线；当网箱的网衣未破损时，稳压直流电源、金属棒和网衣构成断路，海水中存在的微弱电离子不足以被电流传感器检测到；当网衣发生破损，内部金属导线露出时，网衣破损处和金属棒电极通过海水导电构成连通回路，各电流传感器将检测到的电流数据通过数据传输模块上传至水上监测中心，水上监测中心计算网衣破损处的角度和高度的具体数值。
稳压直流电源为传感器检测模块和渔网供电。电源正极通过导线连接传感器检测模块中的铜合金金属棒顶部，电源负极通过导线连接渔网；
传感器检测模块由一根垂直水面固定在渔网中心的圆柱形铜合金金属棒和N层电流传感器组组成。电流传感器四个为一组，用塑料支架等间隔地固定在金属棒圆周上，不间断地对海水中的电流信号进行采样，检测海水中的电流密度。渔网破损位置的检测精度与金属棒直径大小和上下两层传感器组的高度差有关；
数据传输模块由4通道模/数转换器(ADC)、串口通信单元构成。采用ADC方式对海水中的电流信号进行采样，将电流的模拟信号转换为数字信号，然后通过串口通信单元将数据上传至水上监测中心的上位机进行处理；
水上监测中心由上位机和手机模块构成。上位机将来自数据传输模块的数字信号进行解析后计算渔网破损处的角度和高度的具体数值，并将该位置信息以短信形式发送至养殖人员的手机上，提醒养殖人员按照具体位置对渔网及时进行修补；
网衣采用金属埋线法制成，网衣线内部含有绝缘线包裹的金属导线，金属棒下端作为电极裸露在海水中，不与其它结构接触。在渔网未发生破损时，稳压直流电源、金属棒与渔网构成的电路为断路状态。
电流传感器检测模块由稳压直流电源供电，一端连接电源正极，一端连接数据传输模块。渔网采用金属埋线法制成，与稳压直流电源负极相连。在渔网未发生破损时，电源、金属棒和渔网构成的电路呈断路状态，海水中没有电流产生，因此电流传感器并未检测到电流信号，与水上监测中心没有数据传输。当由于生物附着、撕咬或海流的涌动导致渔网破损，网衣线内的金属导线外露时，此时破损位置与金属棒电极通过海水导电产生一定的电流，该电流信号被固定在金属棒上的电流传感器检测到，通过4通道ADC采样和串口通信单元将数据发送至水上监测中心。监测中心的上位机通过分析计算确定网衣破损处的高度和角度，并将该位置信息以短信形式发送至养殖户手机上，实现渔网的故障报警。
实施例1：
本发明的总体结构示意图如图1所示，包括稳压直流电源S10，电流传感器检测模块S20，数据传输模块S30，水上监测中心S40和渔网S50，其中，稳压直流电源S10为电流传感器检测模块S20和渔网S50供电，提供的稳定电压值为36V，保障整个系统的稳定工作；电流传感器检测模块S20的一端与稳压直流电源S10正极相连，另一端通过电流传感器与数据传输模块S30相连，在电流传感器检测到海水中有电流时，将数据通过4通道ADC和RS485串口通信协议上传至水上监测中心S40。RS485最大通信距离约为1200m，可以满足实际需求；
电流传感器检测模块S20由铜合金金属棒S60和用塑料支架均匀固定在金属棒圆周上的N层电流传感器组组成。金属棒S60直径为5cm，长6m。稳压直流电源S10为金属棒S60上端提供正电，金属棒下端作为电极裸露在海水中；
所述电流传感器为莱姆(LEM)电流传感器，其可以测量任意波形的电流，如直流、交流、脉冲波形等，甚至可测出瞬态峰值。检测范围宽，并且反应速度极快，适合对电流进行高精度检测时使用。
渔网S50采用金属埋线法制成，网衣线内部含有绝缘线包裹的金属导线，网衣线结构如图2所示，最外层S51为绿色网衣线，中间层S52为褐色绝缘线，最内层S53为金属导线。圆柱形渔网直径为12m，高7m。
监测系统的渔网部分结构正视图如图3所示，六组电流传感器组(第一电流传感器组S21、第二电流传感器组S22、第三电流传感器组S23、第四电流传感器组S24、第五电流传感器组S25、第六电流传感器组S26)等间隔地分布在金属棒上，上下两层传感器组的高度差为1m，不间断地对圆周各点电流进行采样。当渔网S50未破损时，稳压直流电源S10、金属棒S60和渔网S50构成断路，海水中存在的微弱电离子不足以被电流传感器检测到；当渔网线如图3所示发生破损内部金属导线露出时，渔网破损处和金属棒电极通过海水导电构成连通回路，各电流传感器组将检测到的电流数据通过数据传输模块上传水面监测中心的上位机，上位机记录下各传感器组传来的电流数值大小。图中第四电流传感器组S24检测到的电流最强，其水平高度的海水中电流密度最大，因此可确定网衣破损点的深度与第四电流传感器组S24所在深度大致相同。若要提高深度检测的精度，只需增加传感器组，缩小两组之间的距离即可。后面将结合电流矢量合成图给出破损点具体的深度公式。
检测系统的渔网部分结构俯视图如图4所示，由俯视图可以直观地发现电流最强的位置指向了破损点的方向。为了给出角度的具体值，在上位机根据俯视图模拟建立了空间直角坐标系[X,Y]，如图5所示。海水电导率为3.54S/m，因此用矢量长度等效替代电流强度，用传感器所在圆周位置的法线方向等效替代电流方向，在坐标系上标出电流I1(k),I2(k),I3(k),I4(k),根据矢量合成法则得到等效电流I(k)，其最大值的下标参数k为
Figure BDA0003253636260000051
根据上述计算得到等效电流I(k)的最大值所对应的k值，将k值与第k组传感器组的深度值对应起来，传感器组的深度即代表了破损点的深度。用符号z表示破损点的深度，
Figure BDA0003253636260000052
其中N是传感器组的总数量。
破损点与X轴正方向所成的夹角为θ，给出θ的具体计算公式
Figure BDA0003253636260000053
由上面分析计算可以确定出以金属棒S60为中心的渔网破损点的具体位置。
以上计算是通过上位机的计算功能进行的，计算完成后上位机将包含网衣破损点深度z和角度θ的位置信息以短信形式发送至养殖户手机，提醒养殖人员按照给定位置进行修补。
本发明的步骤流程图参见图6，主要包括以下步骤：
对电流传感器检测模块和渔网供电；
电流传感器检测模块实时监测海水中是否有电流产生；
通过数据传输模块将电流传感器获得的电流数据传至水上监测中心，计算渔网破损位置；
上位机将破损位置信息以短信形式发送至养殖户手机，提醒养殖人员按照给定位置及时进行修补。
本发明的有益效果在于：本发明采用金属埋线法，以海水为导体，网不破时电路不导通，网破时电流以海水为导体经金属棒电极导通成回路，电流传感器将电流数值大小经数据传输模块传至上位机后进行处理计算，确定渔网破损位置，发出警告信息。本发明可大大降低因渔网破损鱼类逃逸而造成的经济损失。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带有网衣破损监测与定位模块的网箱，其特征在于：所述的网衣破损监测与定位模块包括稳压直流电源、传感器检测模块、数据传输模块和水上监测中心；所述的稳压直流电源为传感器检测模块和网箱的网衣供电；所述的传感器检测模块包括金属棒；所述的金属棒的圆周上通过塑料支架均匀固定有N层电流传感器组，N层电流传感器组沿金属棒长度方向等间隔分布，所有电流传感器均通过数据传输模块与水上监测中心通信；所述的金属棒上端与稳压直流电源连接，金属棒下端作为电极裸露在海水中；所述的网衣由网衣线组成，网衣线采用金属埋线法制成，网衣线内部含有绝缘线包裹的金属导线；当网箱的网衣未破损时，稳压直流电源、金属棒和网衣构成断路，海水中存在的微弱电离子不足以被电流传感器检测到；当网衣发生破损，内部金属导线露出时，网衣破损处和金属棒电极通过海水导电构成连通回路，各电流传感器将检测到的电流数据通过数据传输模块上传至水上监测中心，水上监测中心计算网衣破损处的角度和高度的具体数值；所述的水上监测中心计算网衣破损处的角度和高度的具体数值的方法具体为：
水上监测中心根据网箱的俯视图模拟建立了空间直角坐标系[X,Y]，海水电导率为3.54S/m，用矢量长度等效替代电流强度，用传感器所在圆周位置的法线方向等效替代电流方向，在坐标系上标出电流I1(k),I2(k),I3(k),I4(k)，根据矢量合成法则得到等效电流I(k)，其最大值的下标参数k为
Figure FDA0003737208600000011
根据上述计算得到等效电流I(k)的最大值所对应的k值，将k值与第k组传感器组的深度值对应起来，传感器组的深度即代表了破损点的深度z：
Figure FDA0003737208600000012
破损点与X轴正方向所成的夹角θ为：
Figure FDA0003737208600000013
根据破损点的深度z、破损点与X轴正方向所成的夹角θ确定出以金属棒为中心的网衣破损点的具体位置。
2.根据权利要求1所述的一种带有网衣破损监测与定位模块的网箱，其特征在于：所述的网衣线包括3层，最外层为渔网线，中间层为绝缘线，最内层为金属导线，3层线采用不同颜色。
3.根据权利要求1或2所述的一种带有网衣破损监测与定位模块的网箱，其特征在于：所述的数据传输模块包括4通道模/数转换器ADC和串口通信单元，采用ADC方式对海水中的电流信号进行采样，将电流的模拟信号转换为数字信号，然后通过串口通信单元将数据上传至水上监测中心进行处理。
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