水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的移動式智能增氧魚的設(shè)計(jì)

張子璐 胡瀟予

摘要：本課題設(shè)計(jì)一種水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可移動式智能供氧設(shè)備，使其能夠采用超聲波測距使增氧機(jī)向目標(biāo)方向移動，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地對水下缺氧部分實(shí)施增氧并且實(shí)現(xiàn)了全自動化檢測，減少人力等優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)了水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧的效率，提高了水產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)量，保障了水產(chǎn)生物的健康生長。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；移動式；智能；供氧設(shè)備

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）20-0205-03

The Design of Mobile Intelligent Aerobic Fish in Aquaculture Industry

ZHANG Zi-lu， HU Xiao-yu

（Suqian College， Suqian 223800， China）

Abstract： This topic design a kind of portable intelligent aquaculture oxygen equipment， adopting the ultrasonic ranging to aerator to target direction， can be timely and accurate and efficient for underwater part hypoxia increases the oxygen and realized the automatic detection， the advantages of reducing human， enhance the efficiency of aquaculture aerobic， improved the production of aquaculture， to ensure the healthy growth of aquatic organisms.

Key words： Aquaculture； Portable； Intelligent； Oxygen equipment

我國發(fā)展淡水養(yǎng)殖具有十分優(yōu)越的客觀條件，國內(nèi)淡水水面居世界之首，江河、湖泊、水庫、塘池遍布全中國，并且我國大部分處于溫帶和亞熱帶地區(qū)，氣候溫暖，雨量充裕，水質(zhì)肥沃，餌料豐富，魚類資源豐富，為我國淡水養(yǎng)殖提供了一個(gè)很好的條件。

隨著養(yǎng)殖面積的不斷擴(kuò)大，單位面積產(chǎn)量提高，養(yǎng)魚機(jī)械已成為淡水養(yǎng)殖中不可缺少的部分。但是，我國科學(xué)技術(shù)起步較晚，雖然有了一些相應(yīng)的設(shè)備，但是還是會出現(xiàn)一些問題。另外當(dāng)水中的含氧量不足時(shí)，就不能保證魚群的正常生活，這就要補(bǔ)充氧氣。

水中的含氧量的高低直接影響魚類的攝食、生長和飼料利用率，乃至影響魚類的生存。當(dāng)水中的含氧量在3mg/L以上時(shí)，魚類才可以正常生活；其中，當(dāng)2mg/L時(shí)，就會影響一些魚類的生活；但是當(dāng)含氧量在1mg/L時(shí)，魚類就會感到呼吸困難，甚至出現(xiàn)了浮頭的現(xiàn)象。魚的攝食量也與氧含量有直接的關(guān)系。但是，水的溶解不是無限的，溫度越低氧的飽和溶解量越高，溫度越高，氧的飽和溶解量越低。國內(nèi)外實(shí)踐證明，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中采用增氧技術(shù)，可以對養(yǎng)魚業(yè)產(chǎn)生巨大的幫助。所以，我們可以主要以3mg/L作為池水中含氧量為安全濃度，將2mg/L作為警戒濃度，將1mg/L作為危險(xiǎn)濃度。

現(xiàn)在國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)了魚塘增氧機(jī)的自動控制，主要有兩種形式：一是控制增氧機(jī)運(yùn)行時(shí)間的自動控制電路，就是每到夜間或陰雨天，自動開啟增氧機(jī)；二是，采用編碼解碼無線收發(fā)組件進(jìn)行信號的傳輸，將采集的信號進(jìn)行處理，去控制增氧機(jī)的開啟，能達(dá)到自動化的目的。然而，他們都有弊端，第一種不能全天候隨時(shí)隨地進(jìn)行監(jiān)控，效果不是很好，第二種雖然可以全天候的檢測，但是系統(tǒng)比較復(fù)雜，可靠性不好。

1 總體設(shè)計(jì)

該智能化可移動式水下供氧設(shè)備以AVR單片機(jī)為核心，并結(jié)合溶解氧傳感器、超聲波測距離傳感器 、移動平臺、信號調(diào)理單元、無線射頻模塊以及聲光報(bào)警電路和RS232 接口電路等部分組成。以下內(nèi)容將介紹該設(shè)備的主要硬件部分與軟件部分。

2 兩大部分

2.1 主要硬件部分

1） 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)使用瑞士 Hamilton 公司的溶解氧電極檢測魚塘中水的含氧量。該電極有一個(gè)內(nèi)置的 22k的溫度補(bǔ)償電阻。極化和反應(yīng)時(shí)間極短?？梢跃_地檢測到水中的含氧量傳感器，它是美國 DALLAS 公司推出的一種可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器。 采用 1-Wire 總線接口。測溫范圍為-55～+125℃精度可達(dá) 0.0675℃。最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 200 ms傳感器輸出的溶解氧和 溫度送入一調(diào)整電路。調(diào)理電路將各種傳感器的輸出信號調(diào)理到適于 A/D 轉(zhuǎn)換的范圍0～5V。再通過多路 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。分時(shí)傳送給單片機(jī)。

2） 報(bào)警模塊

AVR 單片機(jī)接收標(biāo)準(zhǔn)的 0～5V 信號。利用片內(nèi)的12位 A/D 轉(zhuǎn)換器做 A/D 轉(zhuǎn)換。并把轉(zhuǎn)換的結(jié)果 與設(shè)定值進(jìn)行比較。如果數(shù)據(jù)高于或者低于設(shè)定值。則啟動報(bào)警單元。

3） RS232 接口電路模塊

通過 RS232 接口電路，系統(tǒng)將能夠與增氧機(jī)進(jìn)行通信。將測量的溶氧量實(shí)時(shí)地傳向增氧機(jī)。

4）增氧控制模塊

增氧機(jī)驅(qū)動控制模塊如圖1 所示，主要由光電耦合器和可控硅組成。本系統(tǒng)通過對水體溶解氧含量的實(shí)時(shí)檢測。將當(dāng)前溶氧量與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較。再經(jīng) AVR單片機(jī)的處理。通過單片機(jī)發(fā)出的控制信號經(jīng)驅(qū)動器后控制光電耦合器。當(dāng)光電耦合器工作時(shí)?？煽毓璧挠|發(fā)極處于高電平?？煽毓杼幱趯?dǎo)通狀態(tài)。進(jìn)而控制增氧機(jī)工作而使用光電耦合器有效地降低了外部干擾對系統(tǒng)的影響。進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

5）移動平臺

本設(shè)備通過電力液壓推動器來推動增氧機(jī)移動，并在增氧機(jī)體內(nèi)安裝電力排風(fēng)扇來進(jìn)行水下增氧，并通過超聲波測距來控制增氧機(jī)的移動，如圖2所示，為增氧機(jī)示意圖。

2.2主要軟件部分

魚塘溶解氧自動監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，程序由 C 語言編寫而成，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示，程序?qū)⒔邮芨饔布鬟f來的數(shù)據(jù)，并計(jì)算與信號源之間的距離，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動來靠近信號源，待到達(dá)位置確定后，開啟增氧機(jī)，并標(biāo)記信號源，在信號消失之前，不考慮其他信號源

當(dāng)增氧機(jī)開啟（一小時(shí)）后，若信號源還未消失，則會發(fā)出聲音提示人員檢查。

當(dāng)有多處信號顯示氧氣濃度較低時(shí)，將會自動規(guī)路徑，采用Dijkstra算法選取最短路徑。當(dāng)已有路徑的情況下，接收到新信號后將重新規(guī)劃路徑。

3創(chuàng)新特色概述

采用超聲波測距使增氧機(jī)向目標(biāo)方向移動；能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地對水下缺氧部分實(shí)施增氧；實(shí)現(xiàn)了全自動化檢測，減少人力。

① 項(xiàng)目集合了氧容量傳感器的信息采集技術(shù)、信號放大技術(shù)、水下超聲波測距技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)等多種學(xué)科的最新成果；

② 具有一定STM32F407單片機(jī)數(shù)據(jù)采集開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，熟悉單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件開發(fā)過程；

③ 掌握采用Dijkstra算法選取最短路徑的方法，通過超聲波測距確定目標(biāo)點(diǎn)，得出最優(yōu)路線，使增氧機(jī)能夠按照規(guī)定的路線運(yùn)作。

④ 樹莓派應(yīng)用開發(fā)技術(shù)：Raspberry Pi（中文名為“樹莓派”）是只有信用卡大小的卡片式電腦，其系統(tǒng)基于Linux。樹莓派擁有GPIO接口，正因?yàn)橛蠫PIO，樹莓派開啟了一扇大門，許許多多的想法都能實(shí)現(xiàn)，比如控制LED、繼電器、電機(jī)、傳感器……有了這些基本構(gòu)建，就能組成復(fù)雜的系統(tǒng)。

微信硬件平臺開發(fā)技術(shù)： 基于微信公眾平臺，我們推出了微信硬件平臺。通過平臺規(guī)定的連接協(xié)議，各種智能設(shè)備如藍(lán)牙設(shè)備、WIFI 設(shè)備和其他移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都能方便地接入微信，完成設(shè)備與服務(wù)的連接。

4 研究技術(shù)路線

4.1 水下超聲波測距技術(shù)

1）提供超聲波換能器的發(fā)射脈沖信號并發(fā)射超聲波；

2）接收超聲波換能器的回波信號并進(jìn)行分析處理；

3）計(jì)算及顯示被測距離。

4.2 光電耦合技術(shù)

增氧機(jī)驅(qū)動控制模塊主要由光電耦合器和可控硅組成，本系統(tǒng)通過對水體溶解氧含量的實(shí)時(shí)檢測，將當(dāng)前溶氧量與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較，再經(jīng) STM32F407單片機(jī)的處理，通過單片機(jī)發(fā)出的控制信號經(jīng)驅(qū)動器后控制光電耦合器，當(dāng)光電耦合器工作時(shí)，可控硅的觸發(fā)極處于高電平，可控硅處于導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而控制增氧機(jī)工作。而使用光電耦合器有效地降低了外部干擾對系統(tǒng)的影響，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

4.3 溶氧量傳感器

本系統(tǒng)使用溶解氧電極檢測魚塘中水的含氧量， 該電極有一個(gè)內(nèi)置的22kΩ 的溫度補(bǔ)償電阻，極化和反應(yīng)時(shí)間極短，可以精確地檢測到水中的含氧量。 溫度傳感器用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20，它是一種可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，采用 1-Wire 總線接口，測溫范圍為-55～+125℃，精度可達(dá) 0.0675℃，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 200 ms，傳感器輸出的溶解氧和溫度送入一調(diào)整電路，調(diào)理電路將各種傳感器的輸 出信號調(diào)理到適于 A/D 轉(zhuǎn)換的范圍（0～5V），再通 過多路 A/D 轉(zhuǎn)換器（TLC2453）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，分時(shí)傳送給單片機(jī)。

5 市場營銷策略

新型智能可移動式增氧機(jī)計(jì)劃打造自己的獨(dú)有品牌，并能夠在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)有所建樹，通過產(chǎn)品文化和品牌文化的發(fā)展，提升品牌的附加值。

“我們將給你無限智能幫助”。新型智能可移動式增氧機(jī)致力于人類優(yōu)秀文明的發(fā)揚(yáng)和傳承，他通過STM32F407控制增氧機(jī)，用Android實(shí)現(xiàn)路線規(guī)劃、實(shí)時(shí)監(jiān)控、定點(diǎn)推送，GPS導(dǎo)航路線，太陽能板自動充電，實(shí)現(xiàn)了自動、智能、全方面監(jiān)控，大大減少了人力、財(cái)力的投入。

我們相信：兼顧實(shí)用和人文價(jià)值的產(chǎn)品一定會得到用戶的認(rèn)可。在發(fā)展品牌文化的同時(shí)，注重產(chǎn)品的升級，提高自身競爭力。視開發(fā)項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度和組織運(yùn)營狀態(tài)打造一系列全自動增氧計(jì)劃，如全天候檢測，定點(diǎn)增氧，太陽能蓄電等。將深海增氧作為未來發(fā)展方向，投入到水產(chǎn)養(yǎng)殖的建設(shè)發(fā)展中，獲得企業(yè)融資或政府訂單，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展。

6 結(jié)論

通過機(jī)電制造廠聯(lián)系生產(chǎn)，進(jìn)行批量生產(chǎn)，先試點(diǎn)投入一些大型水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，先獲得他們的認(rèn)可；然后我們不斷革新技術(shù)、降低成本、進(jìn)一步大量生產(chǎn)，推廣到所有的小型水產(chǎn)養(yǎng)殖中去；在此期間我們可以通過多方面宣傳，例如：廣告、微信平臺、QQ平臺等。除此之外，本產(chǎn)品的App可以推廣到手機(jī)應(yīng)用商店里，當(dāng)購買產(chǎn)品產(chǎn)品時(shí)安裝獲得序列碼。通過兩個(gè)方面擴(kuò)大宣傳，投入到所有淡水養(yǎng)殖業(yè)中。最后，在不斷地技術(shù)革新中，最后投入到深海養(yǎng)殖業(yè)中。

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