引 言

水產(chǎn)養(yǎng)殖是人工控制繁殖、培育和收獲水生動(dòng)植物的生產(chǎn)活動(dòng)，一般包括在人工飼養(yǎng)管理?xiàng)l件下將苗種養(yǎng)成水產(chǎn)品的全過(guò)程。養(yǎng)殖環(huán)境和科學(xué)投喂以及魚(yú)類(lèi)的大小、分布對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖十分重要?？茖W(xué)投喂主要包括兩點(diǎn)：投喂?fàn)I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(yú)可在兩小時(shí)內(nèi)吃完，防止殘餌腐敗水質(zhì)。但傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式無(wú)法保證投食的質(zhì)量和數(shù)量。針對(duì)此情況，作品設(shè)計(jì)了一套移動(dòng)式水下無(wú)線視頻系統(tǒng)，以解決靠經(jīng)驗(yàn)投食、投藥無(wú)法監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。通過(guò)移動(dòng)式水下無(wú)線視頻設(shè)備，人們可觀測(cè)到水下魚(yú)的分布、體重及大小等情況，在對(duì)魚(yú)類(lèi)有效進(jìn)行智能化養(yǎng)殖的同時(shí)，節(jié)約資源，避免污染水質(zhì)。隨著科技的發(fā)展，移動(dòng)設(shè)備為魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖監(jiān)控提供了一個(gè)更為便利的方式，可在手機(jī)、筆記本電腦及平板電腦等移動(dòng)設(shè)備上隨時(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)類(lèi)的情況，進(jìn)而對(duì)魚(yú)類(lèi)進(jìn)行科技化管理。

本項(xiàng)目采用主流的嵌入式無(wú)線視頻監(jiān)測(cè)方式，并結(jié)合實(shí)際情況，提出一種移動(dòng)式水下視頻實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，針對(duì)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(dòng)平臺(tái)的控制等問(wèn)題，運(yùn)用OpenWrt 系統(tǒng)以及視頻和運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)等技術(shù)，建立了一套成本低、無(wú)線、便于移動(dòng)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(dòng)式水下無(wú)線視頻系統(tǒng)的必要性及研究意義

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

2 移動(dòng)式水下無(wú)線視頻系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)式水下無(wú)線視頻系統(tǒng)包括監(jiān)控端、無(wú)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(fù)責(zé)將本地監(jiān)控端數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程用戶端（借助局域網(wǎng)或因特網(wǎng)）；

(3) 用戶端上位機(jī)軟件或網(wǎng)頁(yè)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)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(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控端進(jìn)行控制。上位機(jī)硬件平臺(tái)可選用筆記本電腦、手機(jī)、平板電腦等。

2.1 無(wú)線視頻的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)當(dāng)前形勢(shì)，本文提出運(yùn)用 WiFi 進(jìn)行視頻傳輸，并 通過(guò) IP 地址進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的無(wú)線監(jiān)控方案。首先分析 802.11 協(xié)議的結(jié)構(gòu)、無(wú)線幀的形成過(guò)程，再根據(jù)實(shí)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(shí)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(jìn)行無(wú)線視頻數(shù) 據(jù)采集。CHD-T5 支持 AP，STA，AP 與 STA 兼容（WiFi 萬(wàn) 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(qiáng)大、數(shù)據(jù)吞吐量大等特點(diǎn)?？蛻粼?接收播放視頻時(shí)存在不連貫的現(xiàn)象，因此需對(duì)視頻播放不連 貫現(xiàn)象進(jìn)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(shí)幀數(shù)、視頻幀率等參數(shù)，然后通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)控制幀率， 實(shí)現(xiàn)視頻播放連貫的效果，最后檢驗(yàn) WiFi 無(wú)線監(jiān)控方案的實(shí) 施效果，并對(duì)幀率控制效果進(jìn)行測(cè)試，使測(cè)試結(jié)果滿足方案 設(shè)計(jì)的要求。無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖 1 所示。

2.1.1 WiFi 點(diǎn)

802.11 協(xié)議是 IEEE 802 工作組定義的第一個(gè)被國(guó)際組織 認(rèn)可的無(wú)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(wú)線局域網(wǎng)具有易部署、構(gòu)建快速和靈活等特點(diǎn)， 這是傳統(tǒng)有限局域網(wǎng)不具備的。本 WiFi 模塊支持的無(wú)線協(xié)議 標(biāo)準(zhǔn)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(guò)無(wú)線媒介來(lái)傳 播信息，在降低網(wǎng)絡(luò)配置成本的同時(shí)，使得組網(wǎng)方式更加靈活。 從硬件設(shè)備的要求來(lái)看，通過(guò) WiFi 組建局域網(wǎng)相比有線網(wǎng)絡(luò) 更加簡(jiǎn)潔，當(dāng)前市場(chǎng)上支持 WiFi 的設(shè)備很普遍，各種不同品 牌的無(wú)線 AP 和客戶端之間都可以相互進(jìn)行操作。且全球使用 統(tǒng)一的 WiFi 標(biāo)準(zhǔn)，因此在世界任何一個(gè)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(gè)高度模塊 化、自動(dòng)化的嵌入式 Linux 系統(tǒng)，擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴(kuò) 展性，用戶可以方便、快速地定制一個(gè)具有特定功能的嵌入 式系統(tǒng)來(lái)制作固件。根據(jù)系統(tǒng)方案，編譯了一個(gè)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(dòng)、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(jì)方案如圖 2 所示。

2.2 移動(dòng)式觀測(cè)顯示

作品結(jié)合無(wú)線視頻系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及水產(chǎn)養(yǎng)殖的相關(guān)數(shù)據(jù) 所編寫(xiě)的程序與可視化網(wǎng)頁(yè)，可方便人們?cè)诮K端設(shè)備上實(shí)時(shí)監(jiān) 控魚(yú)等水產(chǎn)的生長(zhǎng)及其行為。

作品的顯示包括以下兩個(gè)方面：

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

（2）電腦網(wǎng)站上的顯示。我們采用 Dreamweaver CS6 來(lái) 制作前臺(tái)頁(yè)面，用 PHP 編程語(yǔ)言進(jìn)行后臺(tái)的編寫(xiě)，進(jìn)而把路 由器的相連熱點(diǎn)與網(wǎng)站相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息在網(wǎng)站上的顯示。

2.3 水下檢測(cè)的基礎(chǔ)

由于作品主要在水下通過(guò)攝像頭對(duì)魚(yú)類(lèi)進(jìn)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(diǎn)。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(qiáng)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(jìn)行劃分，從而實(shí)現(xiàn) 攝像頭的穩(wěn)定放置，同時(shí)下部分還具有一個(gè)封閉的凹槽，可手 擰螺絲對(duì)外殼位置進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)密封。雨滴上部留有一個(gè)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(lái)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算好每 一個(gè)數(shù)據(jù)，確保模型沒(méi)有漏洞。通過(guò) 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(shí)現(xiàn)封閉，通過(guò)手?jǐn)Q 螺絲對(duì)外殼進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)一個(gè)凹槽，并在凹槽外部添加一 個(gè)皮墊，不僅能固定外殼，還可防止進(jìn)水，進(jìn)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(dòng)的魚(yú) 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(qiáng)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(gè)有等間距孔的桿子，通過(guò)手?jǐn)Q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?cái)z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(duì)魚(yú)類(lèi)的情況進(jìn)行 觀測(cè)，而不同種類(lèi)的魚(yú)的生活水層各不相同，考慮到此問(wèn)題， 作品采用將外殼與手?jǐn)Q螺絲相結(jié)合的方式，利用放置在水中 的一個(gè)具有等間距孔的桿子，將手?jǐn)Q螺絲與外殼固定起來(lái)， 可通過(guò)手?jǐn)Q螺絲穿過(guò)水中不同高度的孔來(lái)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(chǎng)上造型單一的攝像頭，本文設(shè)計(jì)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(yùn)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(shì)使得其可清晰拍攝位 于不同水層的魚(yú)類(lèi)，無(wú)線視頻實(shí)現(xiàn)了水下監(jiān)控魚(yú)類(lèi)行為的目標(biāo)， 可對(duì)魚(yú)的行為、進(jìn)食等進(jìn)行全面監(jiān)控，使傳統(tǒng)的水下養(yǎng)殖實(shí) 現(xiàn)了一定程度的科技化。利用網(wǎng)頁(yè)編輯器以及編寫(xiě)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了 可視化網(wǎng)頁(yè)的展現(xiàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

在未來(lái)經(jīng)濟(jì)、科技的發(fā)展中，水產(chǎn)養(yǎng)殖的速度會(huì)越來(lái)越快， 因此水下無(wú)線視頻與水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)系也會(huì)更加密切。WiFi 是 本文提出的移動(dòng)式水下無(wú)線視頻系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，符合網(wǎng)絡(luò) 信息時(shí)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(zhǔn)確性。而無(wú)線視頻的設(shè)計(jì)也將成為另一個(gè)熱點(diǎn)。