無(wú)線遙控太陽(yáng)能投餌機(jī)研制與應(yīng)用

孫廣明 SUN Guang-ming；付志茹 FU Zhi-ru；謝剛 XIE Gang；楊華 YANG Hua；李文雯 LI Wen-wen；張韋 ZHANG Wei；吳會(huì)民 WU Hui-min；苗家祿 MIAO Jia-lu；張德喜 ZHANG De-xi；吳建松 WU Jian-song；杜紅梅 DU Hong-mei

（①天津市水產(chǎn)研究所，天津 300221；②天津市寧河縣畜牧水產(chǎn)局，天津 301500）

（①Tianjin Fisheries Research Institute，Tianjin 300221，China；②Animal Husbandry and Fisheries Bureau of Ninghe，Tianjin，Tianjin 301500，China）

0 概述

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，養(yǎng)殖設(shè)施化水平的不斷提高，投餌機(jī)已經(jīng)成為養(yǎng)殖生產(chǎn)中必不可少的重要設(shè)備之一。為了適應(yīng)各種不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)方式，尤其是當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖向節(jié)能、環(huán)保、精準(zhǔn)、高效的生產(chǎn)方式發(fā)展的方向，各類型投餌機(jī)不斷涌現(xiàn)以滿足生產(chǎn)需求。研制適用的投餌設(shè)備不但可以節(jié)省勞動(dòng)力成本，還可以做到精準(zhǔn)投喂節(jié)約飼料，保護(hù)水質(zhì)促進(jìn)養(yǎng)殖魚類的健康生長(zhǎng)。如何選用投餌設(shè)備是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效、健康、環(huán)保養(yǎng)殖生產(chǎn)目標(biāo)的十分重要的措施之一。為此，在開展淡水池塘設(shè)施化高效健康養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)與生產(chǎn)中，我們研制了無(wú)線遙控太陽(yáng)能投餌機(jī)并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了很好的效果。

1 工況與功能

1.1 工況條件 在淡水池塘設(shè)施化高效健康養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)與生產(chǎn)系統(tǒng)中，采用了組合單元漁箱集約化養(yǎng)殖方式。每單元漁箱上口面積為3m×3m的正方形結(jié)構(gòu)，整個(gè)設(shè)施由12組生產(chǎn)單元組合而成。

按照組合式養(yǎng)殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求，每組養(yǎng)殖生產(chǎn)單元配備一臺(tái)懸掛式自動(dòng)投餌機(jī)，投餌機(jī)安裝在懸臂式吊桿的頂端，其出料口位于養(yǎng)漁箱中央的上方。事先由人工向投餌機(jī)料桶添加飼料，工作時(shí)按照事先設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行自動(dòng)投撒。單組生產(chǎn)設(shè)施結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 功能與設(shè)置

1.2.1 投餌機(jī)結(jié)構(gòu) 投餌機(jī)采用懸掛式桶形結(jié)構(gòu)，主要由桶體、桶蓋、吊桶掛鉤、電動(dòng)撥料器組成。料桶內(nèi)徑298mm，有效容積大于23L，可加裝直徑3mm顆粒飼料15kg、直徑6mm膨化飼料9.5kg。將投飼機(jī)設(shè)計(jì)為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，投料桶懸吊在吊桿上，吊桿插入操作平臺(tái)固定支架的套管中即可使用。添加飼料時(shí)可將吊桿旋轉(zhuǎn)到漁箱邊緣，加滿飼料后再將吊桿旋轉(zhuǎn)歸位固定非常方便。電動(dòng)撥料器使用直流12V直流減速電機(jī)，我們對(duì)電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速為30r/min和50r/min兩種機(jī)型進(jìn)行了試驗(yàn)。輸出軸直接驅(qū)動(dòng)撥料轉(zhuǎn)輪，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單動(dòng)作可靠。

圖1 單組生產(chǎn)設(shè)施示意圖

1.2.2 太陽(yáng)能電池組件 采用010-12型太陽(yáng)能電池組件，為多晶硅太陽(yáng)光電池，光電轉(zhuǎn)換效率較高，工作性能穩(wěn)定。外形尺寸為350mm×290mm×18mm。額定最大功率10W，在Pmax時(shí)電流、電壓分別為0.57A、17.6V，短路電流0.62A，開路電壓22.2V。太陽(yáng)能光電池組建通過(guò)支架安裝在鍍鋅鐵管上，再用卡扣將鐵管與操作平臺(tái)的欄桿固定在一起。

1.2.3 電器控制箱 在電器控制箱內(nèi)安裝的電器有：一是太陽(yáng)能電源控制系統(tǒng)，貯存太陽(yáng)能電池發(fā)送的電能供給投料機(jī)、照明燈和箱內(nèi)電器。主要由LS0512R型太陽(yáng)能電源控制器、鉛酸膠體蓄電池組成；二是自動(dòng)投料時(shí)間控制系統(tǒng)，由若干時(shí)間控制繼電器與自鎖繼電器組成；三是無(wú)線接收控制器，采用TAD-T70型無(wú)線遙控開關(guān)，主要實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控投餌機(jī)的開啟與關(guān)閉，照明燈的開啟與關(guān)閉；控制箱備有手動(dòng)按鈕開關(guān)，需要時(shí)可以對(duì)任意單元進(jìn)行單獨(dú)手動(dòng)啟閉?？刂葡浒惭b在欄桿上與太陽(yáng)能電池支撐鍍鋅管相固定。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 最佳太陽(yáng)輻射 首先確定太陽(yáng)電池板的方位角。最佳方式是跟蹤太陽(yáng)，使太陽(yáng)電池板表面始終與太陽(yáng)光垂直。對(duì)于固定安裝的太陽(yáng)電池板在位于北半球的我國(guó)，方位角一般按零度設(shè)置。但是在±20°之內(nèi)，輸出功率不會(huì)降低很多。對(duì)于開展水產(chǎn)養(yǎng)殖主要在5月下旬至10月上旬期間使用，因此可以設(shè)置在零度或稍許偏東方向。

接下來(lái)確定太陽(yáng)電池板的安裝傾角。入射陽(yáng)光應(yīng)垂直照射，因此太陽(yáng)電池板應(yīng)傾斜安裝。為了使太陽(yáng)電池板更好地接受太陽(yáng)輻射，應(yīng)將電池板平面與入射陽(yáng)光垂直，可通過(guò)太陽(yáng)板安裝傾角來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，在同一地點(diǎn)或一年之內(nèi)的不同季節(jié)傾角均有較大的變化，因此對(duì)于非跟蹤電池板來(lái)說(shuō)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，選用最佳傾角。天津靜?？h緯度為38.93°，按照資料推薦值，太陽(yáng)電池板的傾角應(yīng)為緯度傾角再加 5°～10°。

太陽(yáng)總輻射量換算。由于太陽(yáng)能電池板選擇了安裝角，電池板的受光面已經(jīng)不再是水平面。由此產(chǎn)生的偏差必須選擇最佳輻射系數(shù)Kop進(jìn)行修正，根據(jù)資料天津地區(qū)的Kop選取值為1.0692左右。

2.2 應(yīng)用實(shí)例 依據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，我們制作了無(wú)線遙控太陽(yáng)能投餌機(jī)，并進(jìn)行了具體的試驗(yàn)應(yīng)用。

①根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的用電總負(fù)荷，結(jié)合具體生產(chǎn)試驗(yàn)季節(jié)狀況，經(jīng)計(jì)算分析我們選擇額定最大功率10W的010-12型太陽(yáng)能電池組件，為整個(gè)系統(tǒng)供電。太陽(yáng)能電池組件在Pmax時(shí)電流、電壓分別為0.57A、17.6V。

②根據(jù)系統(tǒng)用電電流的負(fù)荷量，選用LS0512R型太陽(yáng)能電源控制器，額定電壓12V，額定充放電電流5A?？刂破骶哂谐潆姞顟B(tài)指示、蓄電池狀態(tài)指示、負(fù)載狀態(tài)指示、負(fù)載工作模式的設(shè)置以及過(guò)載、短路、蓄電池極性接反、溫度傳感器與高壓涌浪保護(hù)功能。

③根據(jù)投餌系統(tǒng)電器放電負(fù)荷情況，選用7Ah太陽(yáng)能專用膠體鉛酸蓄電池。

④按照?qǐng)D2所示的接線順序，依次連接無(wú)誤后系統(tǒng)就可以正常工作。

圖2 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)接線示意圖

3 電氣控制箱設(shè)計(jì)

3.1 功能設(shè)定

3.1.1 定時(shí)定量 按照養(yǎng)殖魚類飼養(yǎng)投喂要求，在一天內(nèi)要投喂數(shù)次，每次投喂一定的時(shí)間，在投喂期間要求間斷下料，以求最佳的投料效果。實(shí)現(xiàn)間斷供料功能采用數(shù)字式雙延時(shí)繼電器，每次投料時(shí)長(zhǎng)采用普通時(shí)間繼電器控制。操作人員按照投料方案，設(shè)定雙延時(shí)繼電器的下料與停止時(shí)間；設(shè)定每次投料的總時(shí)間。

3.1.2 照明電路 照明電路由LED節(jié)能燈、單延時(shí)繼電器與自鎖繼電器組成，路燈延時(shí)的時(shí)長(zhǎng)按操作人員需要設(shè)定，路燈開啟后到時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，以便節(jié)約蓄電池電能。

3.1.3 無(wú)線遙控 選用4路非鎖存TAD-T70型無(wú)線遙控開關(guān)，采用數(shù)碼遙控的方式，通過(guò)繼電器的常開/常閉觸點(diǎn)控制電路中的通斷來(lái)控制四個(gè)獨(dú)立的電路。無(wú)線遙控采用編碼的方式，避免相互之間的干擾，能夠非常容易地對(duì)設(shè)備動(dòng)作進(jìn)行控制。工作電壓：DC12V，工作頻率：315MHz，遙控距離：空地?zé)o干擾300米，觸點(diǎn)參數(shù)為，控制220V負(fù)載功率參數(shù)：每路阻性負(fù)載1000W，感性負(fù)載400W，控制12V負(fù)載功率參數(shù)：每路阻性負(fù)載80W，感性負(fù)載40W?？衫?路開關(guān)控制投餌操作，利用另2路開關(guān)控制照明電路，此款遙控器適用于本系統(tǒng)的電器控制。

3.1.4 手動(dòng)控制 為了方便操作，控制電路中設(shè)置了手動(dòng)控制投料啟閉按鈕T1、T2，操作人員可根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)控制投料操作。

3.2 電路與控制

3.2.1 投餌與照明電路 投餌與照明控制電路見圖3，電路中A、B、C、D是無(wú)線遙控器的4個(gè)通道控制繼電器，整個(gè)控制電路由兩部分組成。

圖3 投餌照明系統(tǒng)控制器線路圖

左半部為投餌機(jī)控制電路，由無(wú)線開關(guān)的A、B通道控制投餌機(jī)的開啟與停止。在進(jìn)行投餌操作過(guò)程中若需要臨時(shí)停機(jī)或在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)需要開機(jī)，按下T2或T1即可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。

右半部為照明控制電路，由無(wú)線開關(guān)的C、D通道控制照明燈的開啟與停止。照明采用LED節(jié)能燈，電壓12V功率3W。由于安裝定時(shí)器，照明燈可以自動(dòng)關(guān)閉，因此十分省電。

3.2.2 系統(tǒng)電路組成與編碼控制 將圖2的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)與圖3投餌照明控制系統(tǒng)組合而成為太陽(yáng)能投餌機(jī)整體電路，圖4為無(wú)線遙控太陽(yáng)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 無(wú)線遙控太陽(yáng)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)電路中的無(wú)線發(fā)射與無(wú)線接收采用PT2262/2272 CMOS工藝制造的低功耗通用編解碼電路，三態(tài)地址端管腳（懸空，接高電平，接低電平）任意組合可提供531441地址碼。在通常使用中，一般采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼，這時(shí)編碼電路PT2262和解碼PT2272的第1～8腳為地址設(shè)定腳，有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)。3的8次方為6561，所以地址編碼不重復(fù)度為6561組，只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對(duì)使用。這類產(chǎn)品一般都預(yù)留地址編碼區(qū)，采用焊錫搭焊的方式來(lái)選擇：懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，出廠是一般都懸空，我們按照自己的需要設(shè)定地址碼，以保證可靠的控制。

可以看到在圖4中無(wú)線發(fā)射與接收器中標(biāo)有LBH字樣三排方格為編碼區(qū)。最左邊有1字樣的是芯片的第一腳，最上面的一排焊盤上標(biāo)有L字樣，表示和電源地連通，最下面的一排焊盤上標(biāo)有H字樣，表示和正電源連通。設(shè)置地址碼的原則是：同一個(gè)系統(tǒng)地址碼必須一致；不同的系統(tǒng)可以依靠不同的地址碼加以區(qū)分。至于設(shè)置什么樣的地址碼要以投餌機(jī)控制的實(shí)際需要自行設(shè)置。

4 懸掛式投餌機(jī)

4.1 形式與結(jié)構(gòu) 投餌機(jī)采用圓桶型結(jié)構(gòu)，上方加蓋防止雨水淋濕餌料。桶壁上方相對(duì)焊接一對(duì)耳孔，懸掛時(shí)安裝吊環(huán)使用。桶底為漏斗形，漏斗底部安裝一活動(dòng)插板，調(diào)節(jié)插板的開啟度用于調(diào)節(jié)漏料量。插板下部有一法蘭，用以安裝電動(dòng)撥料器。在桶形投餌機(jī)的下方安裝一防護(hù)罩，具體結(jié)構(gòu)見圖5。整個(gè)試驗(yàn)養(yǎng)殖系統(tǒng)由12套無(wú)線遙控太陽(yáng)能餌料機(jī)組成。

圖5 懸掛式投餌機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 電動(dòng)撥料器 電動(dòng)撥料器是定量投料的控制裝置，是由直流減速電機(jī)低速輸出軸，直接驅(qū)動(dòng)撥料轉(zhuǎn)輪。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)撥料轉(zhuǎn)輪，將餌料由料桶的下料口撥出，依靠重力餌料自動(dòng)落入水面。減速電機(jī)電壓為直流12V，轉(zhuǎn)速可選用30r/min或50r/min。電機(jī)轉(zhuǎn)速確定后，需要進(jìn)行單位時(shí)間下料量的檢測(cè)，將檢測(cè)的多組數(shù)據(jù)均值后制成表格，作為投料量時(shí)間設(shè)定的參考數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，要通過(guò)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與停止時(shí)間來(lái)準(zhǔn)確控制餌料投喂量。

4.3 旋轉(zhuǎn)式吊桿 吊桿是投餌機(jī)的懸掛機(jī)構(gòu)，采用了可旋轉(zhuǎn)懸臂式結(jié)構(gòu)。旋臂頂端的吊環(huán)用于懸掛吊桶式投餌機(jī)，其位置處于養(yǎng)漁箱中央的垂直上方，應(yīng)保證餌料落在漁箱中央。旋臂吊桿的垂直部分，插入固定在操作平臺(tái)的支架套管中，懸掛投餌機(jī)的旋臂吊桿可以支架套管為中心自由轉(zhuǎn)動(dòng)。將其轉(zhuǎn)到操作平臺(tái)邊緣時(shí)進(jìn)行添加飼料，而后轉(zhuǎn)回原位并將支架套管的定位銷釘插入，使之保持投料的固定位置。

5 應(yīng)用效果

5.1 無(wú)線遙控太陽(yáng)能投餌機(jī)，是“淡水池塘設(shè)施化高效健康養(yǎng)殖系統(tǒng)”的重要設(shè)施。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)上試驗(yàn)應(yīng)用，做到了自動(dòng)控制準(zhǔn)確投餌，使得漁箱中養(yǎng)殖的鯉魚、羅非魚、莫荷羅非魚種等生長(zhǎng)良好?？梢宰龅矫咳胀娥D5～6次，節(jié)省了人工勞力，提高了工作效率，由于增加了投餌次數(shù)因此提高了餌料利用率，獲得每畝平均產(chǎn)量3898.3kg的良好效果。

5.2 采用了無(wú)線遙控與手動(dòng)控制相結(jié)合控制裝置，使得投餌操作變得十分便捷，操作人員可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行投餌操作，只要操作人員按一下手持遙控器的按鈕，投餌機(jī)便可以自動(dòng)工作，當(dāng)達(dá)到設(shè)定時(shí)間后投餌自動(dòng)停止。在餌料投喂工程中操作人員可以仔細(xì)巡視觀察每個(gè)養(yǎng)漁箱內(nèi)魚的攝食情況，如果需要可以隨時(shí)進(jìn)行手動(dòng)停止或開啟任意投餌機(jī)組，可滿足精細(xì)喂養(yǎng)的需要。

5.3 在投餌時(shí)間間隔控制中，采用了DH48S-2Z型數(shù)字雙延時(shí)時(shí)間繼電器，延時(shí)時(shí)間在0～99h之間任意可調(diào)，時(shí)間控制精度可達(dá)0.01s。由于可以精確控制下料與停止時(shí)間，因此容易做到按照魚的攝食需求，準(zhǔn)確地設(shè)定控制單次下料量與下料間隔時(shí)間，即易于實(shí)現(xiàn)魚的精準(zhǔn)喂養(yǎng)，同時(shí)還可以避免餌料的浪費(fèi)。

5.4 供電系統(tǒng)采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電，選用多晶硅太陽(yáng)光電池，光電轉(zhuǎn)換效率較高工作性能穩(wěn)定，額定最大功率10W；選用12V太陽(yáng)能專用7Ah膠體鉛酸蓄電池儲(chǔ)存電能。經(jīng)過(guò)一個(gè)生產(chǎn)周期的應(yīng)用，系統(tǒng)供電正常。在生產(chǎn)過(guò)程中雖然有時(shí)遇上陰雨天氣，但是蓄電池供電始終充足，不但做到白天正常投餌，還可以滿足晚間的正常照明。

5.5 整個(gè)用電系統(tǒng)采用12V直流供電，由于全部電器均在低壓條件下運(yùn)行，極大地提高了用電的安全性。由于每一組養(yǎng)殖生產(chǎn)單元都由獨(dú)立的太陽(yáng)能發(fā)電控制系統(tǒng)獨(dú)立供電，極大地提高了設(shè)施運(yùn)行的可靠性。每一組投餌設(shè)備相互獨(dú)立又可以做到統(tǒng)一控制，由于采用了無(wú)線遙控裝置，因此使得系統(tǒng)變得更加簡(jiǎn)單，應(yīng)用更加靈活，同時(shí)節(jié)省了大量的電線電纜。

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