基于LoRa的非法捕鱼侦察与追踪系统*
时间：2022-12-06 08:50:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
郑雯倩 闫兴园 王皓
合肥工业大学 电气与自动化工程学院 安徽 合肥 230009
目前国内针对非法捕鱼侦察的研究较少，社会上对于非法捕鱼现象的监管仍主要依赖人工巡查的方式，效率低、实时性差且耗费大量人力物力。一些传统的侦察方式如无人机、无人船、卫星等本质上属于视觉上的观测，水体感知系统并不完整，不能识别出毒鱼、电鱼等行为，而仿生鱼检测又普遍存在作用范围小、通信距离不足、灵活性差、侦察效率低等问题[1]。在国外，对于非法捕鱼行为则主要利用大量船舶的数据库训练机器学习算法，判断非法转运发生的可能性，结合GPS、北斗等导航技术来检测突发情况。但由于非法的、未报告的和不受管制的捕鱼状况类型较多，数据库的训练无法做到全覆盖，且检测手段仍然仅仅停留于视觉图像上，缺乏对水域环境进行全方位的感知，同样，对于毒鱼、电鱼等隐蔽性较强的非法捕鱼行为无能为力，且系统本身检测时效响应较慢，很难及时做出应对措施。
综上所述，目前的研究成果多数只对于侦察水上的船只有较好效果，对于没有船只的非法捕捞行为难以侦察。而现有的仿生鱼虽然能够实现水下自主巡游，但对于非法捕鱼而言，其感知能力并不完全，且其采用的wifi无线连接通信方式距离较小，使系统作用范围受到局限。
我们注意到，LoRa具有更低的能耗，更远的传输距离及更高的灵敏度，因此我们采用LoRa技术对仿生鱼进行组网调度，一方面我们自行设计并提出了各类型非法捕鱼侦察方案，并通过多节点传感器数据互补来弥补仿生鱼个体感知能力不足的问题，另一方面通过大规模组网来扩大仿生鱼的侦察范围，使系统整体通信距离能够覆盖水域宽度，提高侦察效率，降低日常巡查的人力、物力消耗，进而有效打击各类型非法捕鱼行为[2]。
2.1 设计思路
本系统侦察与追踪过程包含海陆空三方通信，并将侦察结果通过TLink 物联网云平台传递给用户，各节点布置方式与主要功能如下：
2.1.1 终端节点。终端节点（仿生鱼群）处于感知层，位于整个系统最底层。每条仿生鱼作为一个可移动终端节点，其主要功能如下[3]：①采集环境信息，如电导率、温度、化学物质浓度以及水声检测等。②通过LoRa 技术将采集到的数据上传给网关节点（无人机/地面基站）。③接收网关节点的指令，依据指令完成任务。
2.1.2 网关节点。网关节点（无人机/地面基站）是终端节点与 TLink 云平台连接的桥梁，具有承上启下的作用，其主要功能如下[4]：①与终端节点和TLink云平台进行通信，接收终端节点发送的环境信息并将处理后的数据通过WiFi传给TLink云平台。②接收TLink云平台指令，通过运算自动向终端节点传递移动命令。
2.1.3 TLink 物联网云平台。①对网关节点发来的环境数据进行解析处理、存储，并将信息通过网页和移动客户端等方式呈现给有关部门。②有关部门可以通过TLink云平台统计历史数据、设置异常报警功能以及向网关节点发送操作指令。
2.2 通信系统验证模型设计
以电导率和水声探测的通信系统为例，实物系统由2两个终端模块、中继和上位机构成。两个终端模块分别为电导率发送端和噪声发送端。电导率发送端采用电导率传感器模块——溶液水质检测电导率计，检测水体电导率，STM32F103C8T6开发板采集电导率信号，并配合ATK-LORA-01无线串口通信模块将电导率信号传送至中继；
噪声发送端采用分贝仪检测噪音发生器模块——噪声传感器测试仪485工业级声音传感器，检测水声，并配合正点原子LORA模块ATK-LORA-01无线串口通信模块将噪声信号传送到中继中继由STM32F103C8T6开发板、ATK-LORA-01无线串口通信模块、杜邦线组成，用于接收终端LORA模块传送的信号，并将信号传送到上位机LORA模块。
上位机由PC机、ATK-LORA-01无线串口通信模块、S T C 单片机自动下载线器U S B 转T T L 免手动冷启编程器STCISP、杜邦线组成。用于接收中继发送的信号。上位机可配合ATK-LORA配置软件 V1.2显示接收到的数据，也可配合LabVIEW2018软件对接收到的信号进行处理，判断并显示是否出现电鱼和炸鱼行为，并显示电导率波形和水声波形。
2.3 非法捕鱼侦察方案设计
非法捕鱼现象近年来尤为猖獗，其主要方式可以概括为以下四种，在对各类非法捕鱼活动带来的行为信息、声音信息、以及水质环境的改变进行分析后，我们分别针对不同类型的非法捕鱼设计了如下侦察方案：
2.3.1 撒网捕鱼侦察。撒网时湖面会有较大波动，同时收网时大量鱼会拍打水面产生异常震动，因此我们在仿生鱼头部安装接收器，采用水声换能器将振动信号转换为电信号并采集，以便进行撒网捕鱼行为的判断。
2.3.2 毒鱼侦察。目前使用的毒鱼药物大致可分为以下三类，其检测方式及原理如下：①鱼藤酮杀虫剂等降低水体溶氧量的药物：该药物可使一定范围内水体的溶氧量下降，造成鱼类因缺氧而出现大量浮头现象甚至死亡，因此，我们采用OOS61荧光法溶解氧传感器检测水中溶解氧含量的变化情况，以检测该药物的投放。②氯氰菊酯杀虫剂等含氯药物：不法分子人为地用含氯离子的药品毒鱼进行非法捕鱼，这种药物中的Cl-可与Na+、Ca2+、Mg2+、K+等的离子形成氯化物，使得水质环境中的氯化物含量增高。在此情况下，我们通过DAS2mACL氯离子传感器，采用膜式安倍法，有效检测毒鱼行为的发生。③呋喃丹等有机农药：呋喃丹等有机农药能够直接将鱼类和其他水生物毒死，它们的检测主要依靠传感器头部的COD检测设备配合线虫培养装置实现。一方面依赖于紫外吸收法COD测定技术实现快速检测，这种方法在连续监测领域效果显著，另一方面依据呼吸作用检测培养装置中的线虫活性，从而对农药成分进行二次确认，进一步保证检测结果的准确性。
2.3.3 电鱼侦察。目前升级版的电鱼设备输出电压可达上千伏，而电流通入水体后，发生电化学反应，会造成一定水域面积内氧气耗尽，造成水体真空，导致鱼虾、藻类、浮游生物等水生生物窒息死亡。
同时，电流通入水体也会导致水体电导率增加，为与化学药物造成的含氧量下降的情景进行区别，我们选择AMT-W400多参数水质传感器（组装溶解氧传感器及电导率传感器）,分别通过荧光法、石墨电极法检测水中溶氧量及电导率，将两者数据综合分析，共同作为电鱼的判断标准[5]。
2.3.4 炸鱼侦察。非法炸鱼时水中会产生较强的冲击波，仿生鱼群如果在非法炸鱼引发的爆炸影响范围内，可通过水声换能器检测巨大爆炸声，同时配合微型压力传感器对水波压力值进行分析，从而排除噪声干扰，以便准确判定非法捕鱼现象。
2.4 三段式追踪设计
2.4.1 广域探测阶段。此阶段终端节点间距离较远，能够排除个体误差，抗噪声能力较强。我们的目的是用尽可能少的路径覆盖最大的面积，提高发现非法捕鱼现象的概率。因此我们根据河流流域的特点，综合Z字形遍历探测和Spiral 遍历探测。
2.4.2 领航者模式下的烟羽追踪阶段。仿生鱼传感器检测到异常数据时，根据历史水流流向记录，估计出该污染水流在到达仿生鱼前可能会经过的区域，非法捕鱼源头可能处于该路径中任一位置。
根据当前水流流向和污染路径规划一条搜索路径，仿生鱼群在领航者带领下沿这条路径进行搜索，并且躲避障碍，以走向最可能发生非法捕鱼的区域。
2.4.3 污染源定位阶段。仿生鱼群不断靠近污染源时，对于系统的灵活性要求越来越高，此时各个终端节点不再受到固定队形/距离的束缚，充分发挥每个个体的溯源能力，以便更迅速、准确的定位污染源位置[6]。
算法终止条件为：系统达到最大迭代次数或者鱼群整体的位置和速度（最优适应值）达到稳定，不再更新。
当终止条件满足，则停止迭代输出结果，表示系统已完成非法捕鱼追踪，否则继续运行，直至满足停止条件。
3.1 开拓水污染源头追踪在无线通信网络的新领域
本项目在无线通信网络方面的技术创新不仅提高了水污染源头追踪的工作效率，还突破了在复杂环境下构建广域移动物联网的技术壁垒，彰显我国技术水平，提升我国在高科技领域的地位，提高该项目的国际市场竞争力，成为国家战略性新兴产业建设中的重要推动力[7]。
3.2 突破有关非法捕鱼检测的技术壁垒
本系统作为行业开拓领先者，创新关于非法捕鱼检测功能的系统设备，突破以往单机巡航的技术壁垒，使得全水域面搜索得以实现；
同时采用大规模组网多次突击检查，实现对非法捕鱼行为的有效打击。
3.3 顺应社会对环境保护方面意识加强的号召
随着国家和社会对水产资源的重视程度的加深以及管理方面的加强，非法捕鱼行为越来越引起社会关注，本项目为缓解非法捕鱼现象提供了技术上的创新，符合国家战略新兴要求，在水产资源保护中有着十分重要的现实意义。
3.4 建设多领域发展的新型科研人才培养学科
本项目的实施，使得电子信息、计算机控制、水污染源头探测技术、无线网络等多学科达成了深度合作，从而产生综合电子信息、计算机控制、水污染源头探测技术、无线网络处理研究为一体的新兴交叉学科，也为此种培养全方位建设性人才提供了平台和借鉴意义，可望进一步提升我国的国际科研地位。
本项目结合当下物联网时代的现实需求，面向非法捕鱼行为以及由非法捕鱼投放化学物质或其他原因引起的突发性水污染问题检测，构建了基于LoRa的非法捕鱼侦察与追踪系统，挑战了由非法捕鱼现象复杂性、隐蔽性以及侦察追踪工作的广域性、及时性等要求所造成的技术难题，提升了面向复杂需求的追踪技术的及时化、精准化。
同时，本系统作为一种物联网侦察方案，有助于将非法捕鱼侦察向实时化、网络化、数字化、智能化的新型监控模式转变，力求减少人力、物力投入，提高工作效率。在未来，本系统或将应用于国家渔业部门和环境监测公司，成为提升我国非法捕鱼行为检测的技术和工具，为水产资源保护增添一份保障的同时，也有望取得一定的经济和社会效益。
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