劉昊 史曉敏 董帥喜 張益鵬

摘?要：網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)成為現(xiàn)代化養(yǎng)殖業(yè)的重要發(fā)展方向，但是目前國(guó)內(nèi)普遍采用的飼料供給模式仍然是由漁夫進(jìn)行人工供給，其穩(wěn)定性較差。本文針對(duì)裝置結(jié)構(gòu)、投喂原理等幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)分析，開發(fā)出一種可以對(duì)魚群、水質(zhì)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并針對(duì)不同情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投喂的深海網(wǎng)箱自動(dòng)投料裝置。這樣不僅能極大地提升魚苗的產(chǎn)量，還能保證魚苗的安全，這對(duì)魚苗的發(fā)展和海洋環(huán)境的保護(hù)都有很大的好處。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制；深水網(wǎng)箱；水產(chǎn)養(yǎng)殖

中圖分類號(hào)：TH122??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Cage?aquaculture?has?become?an?important?direction?for?modernized?aquaculture，but?the?current?common?feeding?mode?in?China?relies?on?manual?feeding?by?fishermen，which?suffers?from?poor?stability.In?this?study，we?conducted?a?detailed?analysis?on?key?issues?such?as?device?structure?and?feeding?principles，and?developed?a?deepsea?cage?automatic?feeding?device?that?can?monitor?fish?populations?and?water?quality，and?achieve?automated?feeding?under?different?conditions.This?not?only?greatly?enhances?fish?production?but?also?ensures?the?safety?of?fish?juveniles，benefiting?the?development?of?fish?juveniles?and?the?protection?of?marine?environment.

Keywords：automatic?control;deepsea?cages;aquaculture

隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，對(duì)飼料的投喂要求越來越高。投喂餌料是水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的重要投資，對(duì)養(yǎng)殖魚類的品質(zhì)、產(chǎn)量等有重大影響。目前，深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖主要以人工投喂為主，存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、投喂不均、效率低、餌料量難以控制等問題。飼料浪費(fèi)會(huì)造成水體污染，惡化養(yǎng)殖環(huán)境，加劇魚類疾病，增加成本，降低效益。因此，科學(xué)合理的餌料投喂技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖效果和生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要。

水產(chǎn)養(yǎng)殖中，如何控制飼料投入，實(shí)現(xiàn)飼料的可持續(xù)發(fā)展，是一個(gè)重要問題。隨著自動(dòng)化養(yǎng)殖設(shè)備的發(fā)展，投喂裝置作為一種重要的養(yǎng)殖設(shè)備，越來越受到漁民的重視。為適應(yīng)不同的養(yǎng)殖方式，市場(chǎng)上發(fā)明了各種投餌器。但目前國(guó)內(nèi)普遍使用的自動(dòng)投餌器存在飼料破損率高、運(yùn)行穩(wěn)定性差等問題，無法滿足深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的穩(wěn)定性和安全性要求。許多西歐國(guó)家都實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化，例如挪威的深水網(wǎng)箱自動(dòng)喂食系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)水質(zhì)和魚類狀況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化投喂和遙控操作。我國(guó)已有相關(guān)政策，支持開發(fā)適用的裝備，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投喂、節(jié)省餌料和保護(hù)水質(zhì)等目標(biāo)，同時(shí)節(jié)約勞動(dòng)成本，促進(jìn)養(yǎng)殖魚類的健康成長(zhǎng)。

1?裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1?總體結(jié)構(gòu)

裝置設(shè)備包括浮力底座，其頂部通過調(diào)節(jié)桿固定有支撐盤。支撐盤的頂部中間位置固定有自動(dòng)放料結(jié)構(gòu)，而且圍繞該結(jié)構(gòu)固定設(shè)置有蓄電池、自動(dòng)控制箱、氣泵和殘?jiān)^濾結(jié)構(gòu)。此外，浮力底座的頂部還固定有飼料殘?jiān)占Y(jié)構(gòu)。支撐盤的底部通過螺栓固定有出料結(jié)構(gòu)。

飼料殘?jiān)占Y(jié)構(gòu)包括浮力底座、料渣收集套筒、支撐桿、攔截網(wǎng)、導(dǎo)氣管、浮力橡膠球囊、連通氣管、輸氣管和抽料管。其中，料渣收集套筒的底部連接抽料管，頂部連接若干支撐桿，支撐桿上固定有攔截網(wǎng)，相鄰的支撐桿之間通過連通氣管相連，其中一個(gè)連通氣管上固定有輸氣管，輸氣管通過氣泵與外界相連，導(dǎo)氣管連接浮力橡膠球囊，浮力底座連接殘?jiān)^濾結(jié)構(gòu)的輸入端。

浮力底座包括外限制框，外限制框頂部通過延伸固定座與料渣收集套筒相配合。外限制框填充了與其內(nèi)腔配合的錐形橡膠氣囊，并且底端固定有掛鉤。外限制框的外側(cè)固定有連接限位耳板，頂部端面固定有底部連接座，與調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接。

自動(dòng)放料結(jié)構(gòu)包括儲(chǔ)料筒和筒蓋。筒蓋通過電機(jī)罩固定在儲(chǔ)料筒頂部，而位于電機(jī)罩一側(cè)的位置固定有與儲(chǔ)料筒內(nèi)腔連通的加料斗。

支撐盤頂部的軸心處開設(shè)了與排料管配合的通孔。支撐盤頂部固定有電動(dòng)伸縮桿，該桿通過外側(cè)延伸與支撐板固定連接。殘?jiān)^濾結(jié)構(gòu)包括與支撐盤頂部固定連接的殘?jiān)^濾箱。殘?jiān)^濾箱頂部固定有與其內(nèi)腔連通的抽水泵，并且抽水泵的進(jìn)水口與抽料管連通。

深水網(wǎng)箱自動(dòng)投料裝置整體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

1.浮力底座；2.調(diào)節(jié)桿；3.支撐盤；4.自動(dòng)放料結(jié)構(gòu)；5.蓄電池；6.自動(dòng)控制箱；7.氣泵；8.殘?jiān)^濾結(jié)構(gòu)；9.飼料殘?jiān)占Y(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.2?投料原理

目前市場(chǎng)上有三種主要的裝置魚餌投放模式：氣動(dòng)投放、振動(dòng)投放和蝸輪蝸桿投放。其中，振動(dòng)投放的穩(wěn)定性較差，精度較低，同時(shí)由于深海養(yǎng)殖環(huán)境的限制，經(jīng)常更換也不方便；而蝸桿驅(qū)動(dòng)的蝸輪型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)昂貴，維修困難。

氣力輸送裝置由動(dòng)力部分、輸送管道、儲(chǔ)料部分、混合加速部分、氣固分離部分和控制部分組成。動(dòng)力部分為整個(gè)裝置提供動(dòng)力源，保證物料穩(wěn)定輸送；輸送管道是物料運(yùn)輸?shù)妮d體；儲(chǔ)料部分為裝置提供充足的物料；混合加速部分是裝置的核心之一，是物料與氣流混合輸送的重要保障；氣固分離部分是裝置的核心之一，主要作用是把物料從空氣中分離開，氣固分離設(shè)備的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)裝置的性能有著至關(guān)重要的影響；控制部分影響整個(gè)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。氣力輸送的參數(shù)包括物料輸送量、物料與氣體的占比、氣流速度、風(fēng)量、管道直徑、輸送的壓力等；氣力輸送的設(shè)計(jì)主要在于風(fēng)機(jī)的選型、管道尺寸、氣流入口的風(fēng)速、氣固分離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)、物料與氣流混合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

綜上所述，氣力輸送結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布置靈活，工作效率較高，保證了物料的清潔干凈，適用管道輸送，應(yīng)用范圍較廣。

2?監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)飼料顆粒消耗是科學(xué)制定飼料策略的必要依據(jù)。通過監(jiān)測(cè)飼料顆粒的消耗情況，可以有效減少飼料的浪費(fèi)和水污染，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益的雙贏。為了進(jìn)一步提高投喂的精度，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下殘餌并反饋給投餌機(jī)控制投料量。然而，水下環(huán)境的光線差和干擾對(duì)最小進(jìn)料粒子檢測(cè)和水下圖像處理提出了巨大挑戰(zhàn)。因此，需要采用先進(jìn)的技術(shù)手段，如高分辨率攝像頭、圖像處理算法等，來提高水下圖像的清晰度和準(zhǔn)確性。只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)水下環(huán)境的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和控制，從而更好地保護(hù)水生生物和水環(huán)境的健康。目前，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖主體還處于以手工采集信息為主，利用固定的水質(zhì)傳感器監(jiān)測(cè)為主的傳統(tǒng)模式。但此法需耗費(fèi)大量的人力、物力、工效，并不能完全覆蓋整個(gè)水體，因而難以取得理想的效果。但是，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，有必要對(duì)水體進(jìn)行全方位的立體監(jiān)測(cè)，以更好地認(rèn)識(shí)水體的立體變化特點(diǎn)。為此，本項(xiàng)目擬通過在投喂裝置中設(shè)置多種傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體及魚類狀態(tài)的全方位監(jiān)測(cè)。

2.1?傳感器系統(tǒng)

（1）溫度傳感器：溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)水溫。合適的水溫對(duì)魚類的生長(zhǎng)和繁殖至關(guān)重要。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫，可以及時(shí)采取措施調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境，保持適宜的水溫。

（2）溶解氧傳感器：溶解氧傳感器用于測(cè)量水中溶解氧的含量。溶解氧是魚類生長(zhǎng)所需的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于維持健康的水質(zhì)十分重要。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氧含量，可以及時(shí)調(diào)整通氣設(shè)備或調(diào)節(jié)水流量，以確保充足的溶解氧供應(yīng)。

（3）pH傳感器：pH傳感器用于測(cè)量水域的酸堿度。適宜的pH值對(duì)魚類的生長(zhǎng)、攝食和代謝有重要影響。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)pH值，可以及時(shí)調(diào)整酸堿度，維持理想的水質(zhì)。

（4）氨氮傳感器：氨氮傳感器用于測(cè)量水中的氨氮含量。氨氮是飼料殘?jiān)汪~類代謝產(chǎn)物分解的產(chǎn)物，過高的氨氮會(huì)對(duì)魚類健康造成嚴(yán)重影響。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氨氮含量，可以及時(shí)調(diào)整飼料投喂量和水質(zhì)處理設(shè)備，保持適宜的水質(zhì)。

這些傳感器的選用取決于具體的養(yǎng)殖需求和監(jiān)測(cè)要求。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)和環(huán)境條件，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整，確保良好的養(yǎng)殖環(huán)境和魚類的健康生長(zhǎng)。

2.2?視覺識(shí)別系統(tǒng)

2.2.1?該系統(tǒng)包括的構(gòu)件

（1）攝像頭：用于拍攝深海網(wǎng)箱內(nèi)部的圖像。

（2）圖像處理單元：用于對(duì)攝像頭拍攝到的圖像進(jìn)行處理，提取出感興趣的目標(biāo)，并將目標(biāo)的位置和特征信息提取出來。

（3）控制單元：用于接收?qǐng)D像處理單元提取出來的目標(biāo)信息，并根據(jù)這些信息來控制養(yǎng)殖網(wǎng)箱的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.2?該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能

（1）監(jiān)測(cè)魚類數(shù)量和體重：通過對(duì)攝像頭拍攝到的圖像進(jìn)行處理，可以提取出養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)的魚類數(shù)量和體重信息。這些信息可以用于監(jiān)測(cè)魚類的生長(zhǎng)情況，以及確定飼料的投放量和時(shí)間。

（2）監(jiān)測(cè)水質(zhì)：通過對(duì)攝像頭拍攝到的圖像進(jìn)行處理，可以提取出水質(zhì)信息，如水質(zhì)渾濁度等。這些信息可以用于監(jiān)測(cè)水質(zhì)狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。

（3）監(jiān)測(cè)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)：通過對(duì)攝像頭拍攝到的圖像進(jìn)行處理，可以提取出養(yǎng)殖網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)信息，如網(wǎng)箱內(nèi)部障礙物、網(wǎng)箱外部海洋環(huán)境等。這些信息可以用于監(jiān)測(cè)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。

總之，該視覺傳感器系統(tǒng)可以幫助深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)主更好地監(jiān)測(cè)和控制養(yǎng)殖環(huán)境，提高養(yǎng)殖效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

3?自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

投餌控制裝置硬件由通信模塊、含EEPROM的單片機(jī)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、D/A轉(zhuǎn)換器等結(jié)構(gòu)組成。

（1）通信模塊：隨著技術(shù)的進(jìn)步，無線通信技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，它能夠有效地解決控制室與養(yǎng)殖網(wǎng)箱之間的通信問題，并且能夠提供更高的可靠性和更長(zhǎng)的傳輸時(shí)間，從而降低了成本。通過使用VB中的MSCOMM編程語(yǔ)言，我們可以創(chuàng)建一個(gè)高效的無線通信系統(tǒng)，它可以將數(shù)據(jù)和控制指令進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的傳輸，并且可以與投餌機(jī)的單片機(jī)進(jìn)行有效的交互，從而使得投餌機(jī)能夠更好地完成任務(wù)。

（2）實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊：選擇準(zhǔn)確性高、耗能低的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片（如DS1302、DS3231），連接電源并提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)，初始化時(shí)鐘芯片的相關(guān)參數(shù)（如時(shí)間、日期、鬧鐘等），為用戶提供友好的界面，使用LCD顯示屏和按鍵等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)用戶界面，讓用戶可以直觀地看到當(dāng)前時(shí)間，并進(jìn)行設(shè)置。

（3）D/A模塊：在這個(gè)自動(dòng)投料儀中，我們選用了一款12位串行的D/A芯片，型號(hào)為TLV5616。這款芯片具有高精度、低功耗、低失真等特點(diǎn)，非常適合用于這種需要高精度控制的場(chǎng)合。通過將數(shù)字信號(hào)輸入TLV5616芯片中，我們可以得到相應(yīng)的模擬電壓輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的自動(dòng)調(diào)速功能。通過使用D/A模塊，我們可以讓自動(dòng)投料儀更加精準(zhǔn)地控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣一來，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以提高產(chǎn)品質(zhì)量。

4?結(jié)論

本研究開發(fā)的自動(dòng)投料設(shè)備是專門為深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖而設(shè)計(jì)的。該設(shè)備由多個(gè)模塊組成，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和智能化投喂，從而提高養(yǎng)殖效率。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化，該設(shè)備已經(jīng)成功解決了傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式中頻繁投喂的問題，并取得了顯著的成果。未來，我們將進(jìn)一步完善和優(yōu)化該設(shè)備，以便發(fā)揮更大的作用，為深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。這一設(shè)備的研發(fā)不僅提高了養(yǎng)殖效率，也為深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖行業(yè)帶來了更多的便利和創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

［1］王志勇，諶志新，江濤.集中式自動(dòng)投餌系統(tǒng)的研制［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2011，38（1）：4649.

［2］郭根喜，陶啟友，黃小華，等.深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖裝備技術(shù)前沿進(jìn)展［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2011，13（5）：4248.

［3］武力波，劉運(yùn)勝，劉學(xué)，等.海洋牧場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控投餌系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2010，37（2）：2325.

［4］胡昱，郭根喜，黃小華，等.基于3G+VSaaS技術(shù)的深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)［J］.南方水產(chǎn)科學(xué)，2013，9（2）：6369.

［5］ChaiChengHuang，HungJieTang，JinYuanLiu.Effectsofwavesandcurrentsongravitytypecagesintheopensea［J］.Aquacu?lturalEngineering，2008，38（2）：105116.

［6］QIestadV，PedersenT，F(xiàn)olKvordA，etal.AutomaticfeedingandharvestingofjuvenileAtlanticcod（Gadusmovhua，L）inapond［J］.ModelingIdentificationandContral，1987，8（1）：3946.

［7］TSUNODAT，KITAZAWAD，KINOSHITAT，etal.Conceptofan?off?shoreaquaculturesystemwithanautomated?feedingplatform［C］.Proceedings?of?theInternational?Conferenceon?Offshore?Mechanics?and?Arctic?Engineering，Estoril，2008：527534.

基金項(xiàng)目：2022年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（202210340051）

作者簡(jiǎn)介：劉昊（2001—?），男，漢族，江蘇連云港人，本科，研究方向：機(jī)械電子工程。

*通訊作者：史曉敏（1970—?），男，漢族，內(nèi)蒙古包頭人，研究生，副教授，研究方向：涉海類機(jī)械裝備設(shè)計(jì)與研究。