深水網箱養(yǎng)殖自動投餌機控制系統(tǒng)設計

劉吉偉，王宏策，魏鴻磊

（1.大連工業(yè)大學機械工程與自動化學院，遼寧大連 116034；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300）

隨著網箱養(yǎng)殖產業(yè)的快速發(fā)展，對餌料投喂提出較高的要求。水產養(yǎng)殖中餌料的成本是一項重要投入，餌料的投放對養(yǎng)殖魚類的品質、產率等有很大影響[1-3]。目前我國深水網箱養(yǎng)殖主要采用人工投餌，投餌過程中存在勞動強度大、投喂不均勻、效率低、餌料量難以準確控制等缺點。餌料的浪費又會污染水質，惡化養(yǎng)殖環(huán)境，還會增加魚類病害的發(fā)生，影響魚類的生長，增加養(yǎng)殖成本，降低養(yǎng)殖效益[4-7]。因此餌料的投喂技術是否科學合理，是影響?zhàn)B殖效果和生態(tài)環(huán)境的一個最重要的因素。

在水產養(yǎng)殖過程中，控制養(yǎng)殖成本的投入，使水產養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展，餌料投喂技術非常重要。隨著自動化養(yǎng)殖設施水平的不斷提高，投餌機作為養(yǎng)殖中重要的設備之一越來越受到養(yǎng)殖戶的重視。為適應各種不同的水產養(yǎng)殖生產方式，各種類型的投餌機被開發(fā)出來以滿足市場需求。國內使用較多的自動投餌機往往存在一些問題：例如餌料破損率較大，運行的穩(wěn)定性不足，不能滿足深水網箱養(yǎng)殖對穩(wěn)定性[8-11]、安全性的要求，同時自動化控制水平也有待提高。國外一些國家在水產養(yǎng)殖自動化設施方面處于領先水平，例如挪威研制的自動投喂系統(tǒng)集監(jiān)控、自動投喂、遠程管理等于一體，利用計算機控制整個系統(tǒng)的運行。當前水產養(yǎng)殖向節(jié)能、環(huán)保、精準、高效的生產方式發(fā)展，研制合適的設備可以節(jié)省勞動成本，同時達到精準投喂、節(jié)約餌料、保護水質，促進養(yǎng)殖魚類的健康生長。本文作者以深水網箱養(yǎng)殖為重點，研制一種適用于網箱養(yǎng)殖用自動投餌機，對自動投餌機的控制系統(tǒng)進行設計和技術研究。

1 自動投餌機總體結構及工作原理

自動投餌機由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、計算機控制系統(tǒng)、網箱軌道、投餌機構等組成。投餌機構的運動控制系統(tǒng)由單片機進行自動控制，計算機的控制軟件可以人機交互操作，操作人員可以通過計算機收集的數(shù)據(jù)進行投餌操作也可以利用軟件自動投餌。實現(xiàn)網箱根據(jù)不同因素進行科學合理投餌。

自動投餌機總體結構如圖1所示。自動投餌機的工作原理：單片機接收到由計算機通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送的控制命令后，單片機給出相應的控制指令；餌料倉內的傳感器檢查倉內是否有餌料，如果有餌料，網箱導軌上的行走直流電機按某一速度勻速運行到指定位置；單片機控制開關倉門步進電機投放餌料，下料量通過開放倉門的程度和時間決定；餌料落在拋料機構的弧形托盤上；單片機控制拋料直流電機的轉速，拋料直流電機的轉子連接有矩形刷子，通過對轉速的控制實現(xiàn)餌料360°的拋撒范圍，同時控制拋灑半徑；行走直流電機在網箱運行軌道不同位置進行定點拋撒，使餌料均勻落在網箱水面上。

圖1 自動投餌機總體結構圖

2 控制系統(tǒng)設計

利用單片機作為自動控制系統(tǒng)的控制器，對水產養(yǎng)殖的投餌過程進行自動化管理，可以提高網箱養(yǎng)殖自動控制設備的水平，科學合理投餌，降低養(yǎng)殖成本。自動投餌機的自動控制系統(tǒng)以AT89C52單片機作為核心控制器，主要控制：對發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行處理；控制各個電機的運動流程；接受投餌機內部傳感器信號；模擬信號轉換為數(shù)字信號；和無線通信模塊、計算機的通信。自動投餌機控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

自動投餌機運行時，由計算機作為上位機，養(yǎng)殖人員可以實時觀測數(shù)據(jù)，計算機控制界面會記錄投餌量和投餌時間等參數(shù)，投餌機的位置、運行狀態(tài)、投餌數(shù)據(jù)記錄也會顯示在界面。計算機通過網絡接受GPRS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，經過管理軟件對數(shù)據(jù)的分析再進行投餌情況的判定，投餌決定再由計算機通過網絡傳輸給單片機。單片機通過通信電路上的無線通信模塊得到控制命令，單片機內部程序對命令進行解碼分析，再對各個電機發(fā)出運動指令。電機的控制電路接在單片機的I/O接口上，電機運動控制指令經I/O接口輸出給電機控制電路，電機控制電路對指令信號放大和轉化再傳輸給各個電機，使電機可以按照要求運動進行投餌。這樣系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送和接收，計算機遠程控制投餌。操作人員在陸上的控制室也可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)參數(shù)，通過控制軟件的界面手動設置投餌量和時間等參數(shù)進行投餌操作。

圖2 自動投餌機控制系統(tǒng)框圖

3 硬件介紹

自動投餌機控制電路圖如圖3所示，AT89C52單片機作為投餌控制器，內部存有控制程序。對單片機的I/O口進行擴展，利用8255A可編程并行接口對I/O口進行擴展，8255A芯片的控制端口和單片機連接。8255A芯片的控制端口包括、A0、A1，其中個端口低電平有效。芯片片選信號，當輸入引腳為地點平時表示8255A芯片被選中，允許8255A與單片機進行通訊否則無法做數(shù)據(jù)傳輸；分別代表芯片的讀信號線和寫入信號線，兩個引腳在輸入為低跳變沿時且CS=0時允許8255A通過數(shù)據(jù)線和單片機進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；A0、A1是8255A的地址選擇線，用來選擇8255A的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。A0、A1、分別和單片機的P2.5、P2.6、P2.7、連接。RE?SET復位輸入線，當該輸入端處于高電平時，所有內部寄存器被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。D0—D7是數(shù)據(jù)總線，是8255A和單片機數(shù)據(jù)傳送的通道，當單片機執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作?？刂谱趾蜖顟B(tài)信息也是通過數(shù)據(jù)總線傳送的。8255A還有3個輸入輸出口PA、PB、PC，使用PA口和PB口作為輸入輸出端口和電機驅動器的控制口連接。

步進電機驅動器選用兩相混合式，控制信號輸入接口包括脈沖控制信號PUL+、PUL-，方向信號DIR+、DIR-，使能信號ENBL+、ENBL-。PUL+、DIR+、ENBL+接在+5V電壓，PUL-、DIR-、ENBL-分別接PA0、PA1、PA2。PA0輸出脈沖控制信號，控制步進電機的運動，每發(fā)射一個脈沖步進電機旋轉一個步距角，改變PA0輸出脈沖的發(fā)送頻率可以改變步進電機的運行速度，實現(xiàn)精確控制餌料的投放；PA1輸出方向控制信號，PA1輸出的高低電平可以改變步進電機的轉動方向，為保證電機可靠換向，方向信號先于脈沖信號至少5μs建立；PA2輸出使能信號，ENBL-的輸入信號用于使能或禁止，ENBL-接低電平時驅動器將切斷電機各相的電流是電機處于自由狀態(tài)，此時步進電機脈沖不被響應，接高電平時步進電機可按程序運轉，使能信號提前方向控制信號至少5 μs。步進電機的A相、B相線圈和驅動器相對應的接口連接。驅動器的八位撥碼開關可以設定細分精度、動態(tài)電流、靜止半流，設定細分步數(shù)可以提高步距均勻度，較少振動，完成精確投餌的要求。直流電機選用無刷直流電機配合無刷直流電機驅動器，利用PWM脈寬調速，控制電機的旋轉速度，實現(xiàn)投餌機運動快慢的控制和餌料拋撒半徑的控制。無刷直流電機驅動器的控制信號接在PB口上包括緊急制動IN3、方向信號IN2、調速信號IN1。無刷直流電機的霍爾信號線和驅動器的霍爾信號輸入接口連接，用于檢測轉子的位置和方向，電機的3個相線U、V、W和驅動器對應相線接口連接三相線連接電機內部定子線圈，利用脈沖寬度的調制控制定子旋轉磁場的頻率從而改變轉子的轉速。

圖3 自動投餌機控制系統(tǒng)電路圖

4 控制程序和通信設計

4.1 計算機控制端程序設計

計算機控制軟件使用VB語言設計和編寫，控制軟件可以實現(xiàn)人機交互控制和監(jiān)測網箱內的環(huán)境數(shù)據(jù)。界面設計簡潔直觀便于用戶直接監(jiān)控，界面的數(shù)據(jù)監(jiān)測包括水速測量顯示，溶解氧量顯示，PH值顯示等數(shù)據(jù)顯示界面以及自動投餌機位置顯示?？刂栖浖惺謩涌刂坪妥詣涌刂苾煞N工作方式。采用手動控制，用戶可以通過“前進”、“后退”按鈕控制行走直流電機在導軌上的位置；通過“倉門開放”按鈕控制餌料倉門的開放程度；通過轉速的大小調節(jié)選擇按鈕控制餌料拋撒電機的轉速，控制餌料拋撒半徑。

采用自動控制工作方式，控制軟件對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行整合分析，通過內部的算法做出相應的操作指令，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊送達單片機接收端。單片機對指令解碼后，調用程序內部的數(shù)據(jù)指令表進行自動投餌操作，單片機控制程序流程圖如圖4所示。同時將投餌結果顯示在計算機控制界面。

圖4 單片機控制程序流程圖

4.2 通信設計

在自動投餌控制系統(tǒng)中，通信是連接計算機控制端和單片機控制端，以及監(jiān)測設備和計算機控制端的橋梁。通信的可靠性是保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行的前提條件。

由于控制室和養(yǎng)殖網箱的距離較遠，鋪設通信電纜不方便，可靠性較低而且會增加成本投入，因此選用無線通信硬件。近年來，無線通信技術的快速發(fā)展，傳輸速率的大幅度提高和傳輸容量的擴大可以保證通信的可靠性和穩(wěn)定性。通信的設計在計算機控制端利用VB中的MSCOMM通信控件編寫通信協(xié)議，利用GPRS無線通信模塊傳輸數(shù)據(jù)和控制指令。投餌機的單片機和接受通信模塊相連，實現(xiàn)控制指令的穩(wěn)定接收，單片機再做出對應的操作。環(huán)境堅持測數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給計算機數(shù)據(jù)接收端。通信系統(tǒng)的安全可靠運行為自動投餌系統(tǒng)的實現(xiàn)提供保證，實現(xiàn)人員的遠程控制和操作，大大降低人員的工作量，還能做到科學管理。

5 結束語

自動投餌機控制系統(tǒng)設計結合計算機的人機控制界面和單片機作為控制機構，通過無線傳輸模塊進行數(shù)據(jù)的傳遞，操作人員可以在陸上實現(xiàn)遠程控制，投餌過程中可以對計算機控制界面的參數(shù)進行人工設定，觀測投餌機的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)科學合理投放餌料。該控制系統(tǒng)的設計對提高網箱養(yǎng)殖精確投餌操作和遠程控制的能力，降低勞動強度，促進網箱養(yǎng)殖配套設施的研制和自動化水平起到積極作用。