導(dǎo)語：網(wǎng)箱養(yǎng)殖智能投飼設(shè)計(jì)一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

由于野生魚類資源的日趨枯竭，網(wǎng)箱養(yǎng)殖得以迅速發(fā)展。飼料投喂是養(yǎng)殖生產(chǎn)中一個重要的環(huán)節(jié)。目前在網(wǎng)箱養(yǎng)殖場廣泛使用的投飼機(jī)，僅僅是代替了人工拋灑飼料這個重復(fù)動作。使用傳統(tǒng)投飼機(jī)的養(yǎng)殖戶不僅需要定時到網(wǎng)箱養(yǎng)殖現(xiàn)場進(jìn)行投喂，更難以精確掌握最能滿足養(yǎng)殖對象需求的投飼量［1］。投飼過少則導(dǎo)致養(yǎng)殖對象生長緩慢，影響產(chǎn)量，投飼過多則會增加飼料成本，同時會造成養(yǎng)殖海域的環(huán)境污染。工廠化大規(guī)模網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)推動了自動投飼裝備與技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已經(jīng)取得了一定的研究成果，如遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心研制出一種遠(yuǎn)程監(jiān)控投飼系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程定時定量投飼［2］。但魚群對飼料的需求量受魚齡、健康狀況、水溫、溶解氧、光強(qiáng)等復(fù)雜因素的影響，在合理投飼方面，這些研究成果都只是根據(jù)預(yù)設(shè)的經(jīng)驗(yàn)值“定量”投飼，智能性還略顯不足。因此，研究一種新型智能投飼系統(tǒng)，結(jié)合監(jiān)測與反饋控制以調(diào)控投飼時間及投飼量，提高飼料投喂的合理性，是網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)迫切需要解決的問題之一?，F(xiàn)有網(wǎng)箱監(jiān)測技術(shù)大多是針對網(wǎng)箱內(nèi)魚群的形態(tài)監(jiān)測，了解魚群的生長速度，或是針對網(wǎng)衣的監(jiān)測，避免網(wǎng)衣破損、魚群逃逸造成損失。專門針對飼料投放狀況的監(jiān)測在國外發(fā)展很快，技術(shù)相對比較成熟［3-4］，但國內(nèi)還處于研發(fā)起步階段，相關(guān)產(chǎn)品及報(bào)道都較少［5-6］。對水下目標(biāo)的探測常用的有光、電、聲、磁等方法，網(wǎng)箱養(yǎng)殖中使用的飼料作為一種水下小目標(biāo)，比較適合用光學(xué)或聲學(xué)的方法進(jìn)行探測。考慮到我國的海水養(yǎng)殖業(yè)大多都還是在近海海域，海水渾濁導(dǎo)致水下能見度低，不適合用光學(xué)方法，必須借助于水聲設(shè)備才能進(jìn)行水下探測。本文提出一種利用聲學(xué)方法來監(jiān)測投飼情況、控制投飼過程的方案，以解決網(wǎng)箱養(yǎng)殖合理投飼的問題，同時減少養(yǎng)殖活動對海洋環(huán)境的影響。

1投飼監(jiān)控系統(tǒng)概述

圖1給出了一種基于聲學(xué)原理實(shí)現(xiàn)智能投飼監(jiān)控的方案示意圖。根據(jù)魚類的生活習(xí)性，在其進(jìn)食活動剛開始不久，滲透到網(wǎng)箱底部的飼料是很稀疏的，而當(dāng)其進(jìn)食活動逐漸接近尾聲時，滲透到網(wǎng)箱底部的飼料就會逐漸多起來，這一特點(diǎn)可以用來確定當(dāng)前的投飼量以及是否還應(yīng)繼續(xù)投飼。在網(wǎng)箱的底部用重錘懸吊安裝一個投飼監(jiān)測儀，即一套收發(fā)合置的回聲探測聲納。該聲納向網(wǎng)箱底部區(qū)域發(fā)射一束聲波。依據(jù)目標(biāo)聲學(xué)反射原理［7］，聲波在傳輸過程中，如果遇到目標(biāo)飼料就會產(chǎn)生回波，通過分析接收到的回波信號能量值來判斷飼料滲漏的量，并產(chǎn)生一個信號反饋到投飼控制系統(tǒng)，以控制投飼機(jī)的動作，減少欠投、過投等現(xiàn)象。本方案中，回聲探測聲納的選用是關(guān)鍵，聲納性能、成本等因素將影響該方案的使用效果。

2聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1單波束聲納監(jiān)測

回聲探測聲納以波束形式分類，有單波束和多波束，單波束聲納結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)方便、價格低廉，比較適合網(wǎng)箱養(yǎng)殖投飼監(jiān)測用。圖1中，回聲探測聲納向網(wǎng)箱底部區(qū)域發(fā)射具有一定開角的聲束，聲信號在傳播過程中遇到因過剩而落向海底的飼料時會發(fā)生發(fā)射，聲納接收某一段時間內(nèi)的反射波，并傳輸給信號處理電路以計(jì)算其能量。某一段時間t1～t2(ms)內(nèi)接收到的信號能量的計(jì)算方法為:E=∫t2t1|v(t)|2dt(1)式中，v(t)為接收到的反射信號電壓，V;E為接收到的反射信號能量值，W•ms。在養(yǎng)殖對象進(jìn)食初期，E應(yīng)該是個小量，隨著進(jìn)食過程接近尾聲，E將會逐漸增大。如圖1所示，t1取聲波從O點(diǎn)到A點(diǎn)傳播時間的2倍，t2取聲波從O點(diǎn)到B點(diǎn)傳播時間的2倍，這樣選取是為了重點(diǎn)計(jì)算被監(jiān)測網(wǎng)箱底部范圍內(nèi)的飼料所產(chǎn)生的聲反射信號能量，避免鄰近網(wǎng)箱的干擾，考慮到海流的因素可以適當(dāng)整體提前或延遲t1～t2的時間。聲信號的頻率與監(jiān)測效果有很大的關(guān)系，要根據(jù)飼料顆粒的大小來選取，通常對于魚類網(wǎng)箱養(yǎng)殖，其發(fā)射頻率在200～500kHz之間比較合適，這一頻率范圍的聲波對于飼料比較敏感，作用距離也比較合適，簡單的聲納設(shè)備就可以達(dá)到10～50m的作用距離。此外，波束開角也會影響監(jiān)測結(jié)果，波束開角過大，有可能把網(wǎng)箱底部、海底的反射能量一同計(jì)算進(jìn)去，因此在這種情況下，一般取波束角≤10°。為了減少網(wǎng)箱底部網(wǎng)衣或海底可能引起的聲波反射，聲納換能器可以采用橢圓結(jié)構(gòu)，將長軸放置在水平方向，短軸在海深方向，這樣可以大大減少海底和網(wǎng)衣的影響。

2．2固定多波束聲納監(jiān)測

單波束聲納在某一時刻只能針對波束聲軸方向上的一個固定范圍實(shí)施監(jiān)測，若要擴(kuò)大監(jiān)測范圍，則需對其進(jìn)行回轉(zhuǎn)、俯仰等機(jī)械操作，在水下實(shí)施這些機(jī)械動作往往意味著設(shè)備復(fù)雜程度的提高和成本的上升。電子多波束聲納可以在比較大的區(qū)域內(nèi)實(shí)施監(jiān)測，不需要機(jī)械動作，性能也比較穩(wěn)定可靠，它與單波束聲納相比，搜索速度較快，獲取的信息量大，但其系統(tǒng)復(fù)雜，價格昂貴，不適于網(wǎng)箱養(yǎng)殖監(jiān)測的需要。為了簡化監(jiān)控系統(tǒng)，同時降低成本，本文提出固定多波束的概念，類似于多部單波束聲納同時工作，這種監(jiān)測方法布設(shè)如圖2所示。和單波束聲納方案不同的是，圖2中的4個回聲探測聲納為一組，對應(yīng)周圍4個網(wǎng)箱，每組聲納共用1個控制系統(tǒng)。由于投飼控制是一個相對慢變的過程，可以使用電子開關(guān)采取分時操作方式，用1套電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同時對4個網(wǎng)箱的投飼監(jiān)控。大多數(shù)方形、圓形網(wǎng)箱都可以采用這種方式，還可以根據(jù)網(wǎng)箱的形狀和布設(shè)特點(diǎn)，加減換能器的數(shù)量和調(diào)整換能器的安裝方位，以適應(yīng)特定網(wǎng)箱的監(jiān)控需求。對于這種固定多波束投飼監(jiān)測設(shè)備，要求在每個網(wǎng)箱的相應(yīng)位置上安裝1臺投飼機(jī)，將飼料回波信號按照與單波束監(jiān)測聲納同樣的控制算法進(jìn)行計(jì)算和控制。聲納監(jiān)測過程中同樣要避免或減少海底和網(wǎng)箱底部網(wǎng)衣的影響，除了采取與單波束聲納相同的時隙控制外，還可以采用頻率隔離和物理隔離，以減少多波束之間的互相影響。

3投飼控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1投飼機(jī)的控制算法

圖3是投飼機(jī)控制原理的示意圖。投飼機(jī)通過螺旋或振動方式將飼料送到進(jìn)料管道，螺旋推進(jìn)或振動的速度決定了飼料流量，所以控制投飼機(jī)的電機(jī)狀態(tài)(轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角)就可以進(jìn)行飼料流量控制?？刂破鞯氖芸貙ο笠话闶蔷€性非時變的單參數(shù)反饋系統(tǒng)，可以采用經(jīng)典的PID控制算法［8］。圖3投飼控制示意圖Fig．3Diagramoffeedingcontrol圖3中，e=r－E是參考能量r與反射波能量E的誤差;e的比例、積分、微分三者之和構(gòu)成電機(jī)控制量u;y為轉(zhuǎn)化的飼料流量控制量，g/s。需要預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)有2個:參考能量r，上限投飼時間T。控制算法如(2)式所示:u(t)=kpe(t)+ki∫t0e(τ)dτ+kdde(t)dt(t＜T)0(t≥T{)(2)控制算法是基于對飼料過剩量的控制，需要將飼料過剩量作為監(jiān)測對象并作為控制依據(jù)，所以該算法是建立在有微量飼料剩余的基礎(chǔ)上的。為了減少過剩飼料的浪費(fèi)，可以選取參考值r為接近于0的一個小值，以使得飼料經(jīng)過魚群進(jìn)食之后只有少量透過網(wǎng)箱。選定參考值r后，在電機(jī)控制下，飼料流量會根據(jù)魚群的進(jìn)食程度自動調(diào)整，保證透過網(wǎng)箱的飼料在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)。當(dāng)飼料過剩量很小甚至沒有過剩時，可能造成控制算法的失效，為防止這種現(xiàn)象，在算法中引入時間量T控制投飼過程的總時間。時間量的引入有兩個作用:(1)當(dāng)飼料流量保持在一個很低的水平，但仍有接近r的反射波能量E時，可以判斷魚群幾乎不進(jìn)食，只要T達(dá)到就關(guān)閉投飼機(jī);(2)即使在沒有飼料過剩的情況下，當(dāng)投飼達(dá)到一定的時間T后也需要結(jié)束投飼過程。

3．2控制算法的硬件實(shí)現(xiàn)

以控制螺旋推進(jìn)式投飼機(jī)的控制為例，圖4顯示的是基于ARM920T/Linux平臺的智能投飼監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。回聲探測聲納檢測到過剩飼料產(chǎn)生的聲反射信號，并將這種信號轉(zhuǎn)化成電信號，通過一定的信號調(diào)理過程，送給CPU進(jìn)行AD采樣，轉(zhuǎn)化成單位時間內(nèi)的能量信號進(jìn)行增量式數(shù)字PID推導(dǎo)，再用推導(dǎo)的輸出量去調(diào)制PWM波形，送入高速光耦隔離器;耦合的信號以雙極H橋方式驅(qū)動投飼機(jī)直流電機(jī)，實(shí)時控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)整投飼流量，通過該反饋過程實(shí)現(xiàn)將剩余飼料限制在預(yù)設(shè)的較小范圍，以實(shí)現(xiàn)智能投飼。圖4控制器硬件結(jié)構(gòu)圖Fig．4Hardwareoffeedingcontrol監(jiān)控系統(tǒng)的主控CPU選取SAMSUNG公司的通用型ARM9-S3C2440;WIFI模塊選用CONE-XTOP公司的WiBoard接口板，作為接口擴(kuò)展以滿足大規(guī)模養(yǎng)殖投飼監(jiān)控的需求;操作系統(tǒng)采用開源的ARM-Linux-2．6．28，便于驅(qū)動以及圖形界面的快速開發(fā);顯示設(shè)備實(shí)時顯示投飼反饋的反射波能量值和輸出的控制量，提供操作人員現(xiàn)場監(jiān)控。任何時候都可由標(biāo)準(zhǔn)按鍵和鼠標(biāo)接口進(jìn)入程序設(shè)置界面，設(shè)置反射能量參考值r和上限投飼時間T。

4規(guī)模養(yǎng)殖投飼監(jiān)控設(shè)計(jì)

現(xiàn)代海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖一般都是成規(guī)模養(yǎng)殖，有多達(dá)數(shù)百個網(wǎng)箱。對海上牧場的投飼過程進(jìn)行監(jiān)控可以有兩種方式:一種是采用2．2節(jié)介紹的固定多波束方法，投飼監(jiān)控設(shè)備和投飼機(jī)采用移動方式，投飼完一組網(wǎng)箱后移動到下一組，如此循環(huán)，完成整個海上牧場的投飼過程，顯然這是一種低效率的投飼方式。本文提出一種采用多套投飼監(jiān)控設(shè)備和投飼機(jī)的組網(wǎng)式投飼監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對于大型海上養(yǎng)殖牧場的遠(yuǎn)程智能投飼與監(jiān)控。圖5給出了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖5投飼監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．5Structureoffeedingmonitorsystem在大規(guī)模海水養(yǎng)殖中，鄰近的網(wǎng)箱投飼監(jiān)控設(shè)備(如圖5中監(jiān)控點(diǎn)1和2)之間采用有線連接，構(gòu)成一個網(wǎng)箱平臺，而后各個網(wǎng)箱平臺之間再通過無線組網(wǎng)成WLAN［9］。無線方式可以選擇WIFI，工作在UHF頻段，數(shù)據(jù)傳輸速度較高，組成的網(wǎng)絡(luò)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，組網(wǎng)成本低。這對于降低投飼監(jiān)控網(wǎng)的建設(shè)和使用成本是有益的，但是其通訊距離有限，通?！?00m。所以在若干個WIFI之間要加入IP網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，將這些數(shù)據(jù)匯總后通過無線方式(比如3G網(wǎng)絡(luò))發(fā)往有公網(wǎng)IP的岸基數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，供岸上管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，利用IP公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域的投飼監(jiān)控。

5結(jié)語

本文就網(wǎng)箱養(yǎng)殖中的投飼量控制問題，提出了一種基于目標(biāo)聲反射原理的智能投飼監(jiān)控方案，并從投飼監(jiān)控原理、控制算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及大規(guī)模養(yǎng)殖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了論述。該方案克服了已有的自動投飼機(jī)只能定時或定量投飼的缺點(diǎn)，能夠做到精確滿足養(yǎng)殖對象在不同養(yǎng)殖環(huán)境下的飼量需求，避免欠投、過投現(xiàn)象，在最大程度降低飼養(yǎng)成本并保護(hù)養(yǎng)殖水域環(huán)境的同時，保證魚群的正常生長。值得強(qiáng)調(diào)的是，該方案采用了聲學(xué)方法探測剩余飼料，而聲波在渾水中傳播時其能量損失很小(聲波頻率為300kHz，懸浮泥沙濃度為2～3g/L時聲吸收約為0.3dB/m，常用網(wǎng)箱的直徑＜20m，最大聲衰減＜6dB)，因此，聲納探測可以正常工作在光學(xué)探測等難以進(jìn)行的渾水海域，在黃海、東海等渾水海域的網(wǎng)箱養(yǎng)殖中更具有應(yīng)用價值。