基于自動控制理論的新型魚塘增氧船

文章編號：16742419（2022）01004303

摘要：文章通過對當(dāng)前池塘養(yǎng)殖業(yè)的研究，開發(fā)了一種基于自動控制理論的新型魚塘增氧船。新型自動增氧船定位于“互聯(lián)網(wǎng)+高校成果專利轉(zhuǎn)化之養(yǎng)殖水產(chǎn)”的模式，改變了傳統(tǒng)的定點(diǎn)式增氧方式。船艙設(shè)有上下升降旋轉(zhuǎn)葉輪及風(fēng)機(jī)，潛水泵等，高效增氧。進(jìn)氣口設(shè)置高分子聚合纖維塑料作為分離單元，實(shí)現(xiàn)氣體分離。智能控制系統(tǒng)，擬定增氧運(yùn)行航線。增氧船的理論數(shù)據(jù)滿足水動力基本要求，本文也為中國魚塘增氧技術(shù)的發(fā)展提供思路。

關(guān)鍵詞：新型魚塘增氧船;自動控制;池塘養(yǎng)殖

中圖分類號：S953文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在養(yǎng)魚池塘中，水中溶解氧與魚的產(chǎn)量一脈相連，當(dāng)水體中缺氧時(shí)，魚易浮頭，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致魚類泛塘死亡。同時(shí)，由于水域底層還存在著大量的死亡藻體，以及殘餌和糞便等，因此在有氧條件下，可以促進(jìn)他們的氧化分解[1]，從而提高了水域內(nèi)有機(jī)化合物循環(huán)。水體增氧涉及到氧氣的溶解度和溶解速率問題。

氧氣在水中的溶解，包括三個(gè)因素，即水溫、水體本身溶解氧和氧氣分壓。氧氣在水中的溶解速度包括三個(gè)因素，即溶解氧的不飽和度、水和空氣之間的接觸面積、水流速度。其中水的水溫和溶解氧的不飽和度是水的穩(wěn)定狀態(tài)，一般不會發(fā)生變化[2]。因此，為了迅速將氧氣加到水中，需要直接或間接地改變氧氣分壓、水和空氣接觸面積和水流速度等。

目前池塘增氧主要有三種方法，即化學(xué)法、機(jī)械法和生物法?；瘜W(xué)法是在養(yǎng)殖水體中投放一些化學(xué)物質(zhì)，通過化學(xué)反應(yīng)，釋放氧氣，但成本高，不適當(dāng)?shù)耐斗湃菀桩a(chǎn)生負(fù)面影響。生物法是指水中植物吸收二氧化碳，通過光合作用在水中釋放氧氣。但部分水生植物易腐爛，使水質(zhì)變差，影響水產(chǎn)養(yǎng)殖種類生長。

因此，在池塘增氧方面，經(jīng)常使用機(jī)械法。增氧機(jī)在近年來養(yǎng)殖池塘增氧中廣泛使用，啟動時(shí)，螺旋槳攪拌旋轉(zhuǎn)水體。通過旋轉(zhuǎn)形成的離心力，使上部的水體向周圍擴(kuò)散，增大與空氣的接觸面積，提高水體含氧量。但是增氧裝置的增氧僅限于特定區(qū)域，水體底部含氧量較低的問題，依然無法改變。

池塘養(yǎng)殖增氧技術(shù)經(jīng)過40多年的發(fā)展，已成為池塘養(yǎng)殖高產(chǎn)的主要技術(shù)保障。進(jìn)入新世紀(jì)以后，如何將低能耗、生態(tài)、健康的增氧技術(shù)引入到生產(chǎn)應(yīng)用中，還存在一些實(shí)際問題。目前國內(nèi)所有大專院校已沒有漁業(yè)機(jī)械專業(yè)，水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械專業(yè)研究機(jī)構(gòu)和從事池塘增氧技術(shù)研究的人員較少。國內(nèi)池塘增氧設(shè)備的制造企業(yè)有近百家，其中僅有三、四家有一定規(guī)模的企業(yè)具有一定的研究新技術(shù)、開發(fā)新產(chǎn)品的能力;這些狀況已成為制約中國養(yǎng)魚池塘增氧技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。針對這種情況，研究設(shè)計(jì)了這種新型魚塘增氧船。

1 池塘養(yǎng)殖業(yè)存在的問題

伴隨著國家對養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的政策支持，各地水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)不斷興起，在一些沿河、沿湖和沿海地區(qū)池塘養(yǎng)殖業(yè)隨處可見，如黃河三角洲腹地淋水池塘泥鰍高產(chǎn)區(qū)。 他們利用當(dāng)?shù)厮Y源充足，環(huán)境適宜的優(yōu)勢從事池塘養(yǎng)殖業(yè)，養(yǎng)殖各種水產(chǎn)品，對其進(jìn)行加工處理，運(yùn)往各地經(jīng)營銷售。通過前期的調(diào)查發(fā)現(xiàn)伴隨著池塘養(yǎng)殖業(yè)的不斷民展，還面臨著如下幾個(gè)較為突出的問題：

1.1 資源消耗大

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖業(yè)資源消耗巨大、養(yǎng)殖成本提高并且對周邊環(huán)境的影響等方面存在諸多的問題。

1.2 管理效果不佳

部分養(yǎng)殖戶方面的追求求高密度、高強(qiáng)度養(yǎng)殖[3]。這就需要在養(yǎng)殖過程中增加飼料投入量，那么魚塘底部殘留的飼料和糞便明顯增加，給養(yǎng)殖水帶來了巨大環(huán)境壓力。同時(shí)，水環(huán)境的惡化容易引起疾病，導(dǎo)致養(yǎng)殖魚類的大量死亡，給養(yǎng)殖戶造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。

1.3 增氧效率差

夏季高溫炎熱的天氣，增氧機(jī)的增氧效率不高。即使使用氫氧化鈉增氧，水體的溶解氧值仍然很低。所以在氣溫高時(shí)，需要24小時(shí)不斷增氧。給養(yǎng)殖戶造成了極大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

1.4 比較效益低

由于水產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)體系不足，市場上不能充分反映水產(chǎn)品的質(zhì)量，導(dǎo)致好的漁業(yè)產(chǎn)品很難以高價(jià)銷售。而隨著養(yǎng)殖成本的愈發(fā)提高，養(yǎng)殖戶的積極性也在不斷下降。

2 新型池塘增氧船工作原理

“新型自動增氧船”定位于“互聯(lián)網(wǎng)+高校成果專利轉(zhuǎn)化之養(yǎng)殖水產(chǎn)”的模式，前期以池塘增氧為切入點(diǎn)、以現(xiàn)代科技技術(shù)為載體，改善池塘養(yǎng)殖業(yè)的問題，之后，以環(huán)保為原則進(jìn)行改進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)效益環(huán)保的雙贏。

新型魚塘增氧船（見圖1），由船體、潛水泵、小型風(fēng)機(jī)、螺旋槳、旋轉(zhuǎn)八片葉輪和智能控制模塊等部件組成。當(dāng)其工作時(shí)，潛水泵的進(jìn)水口可抽取魚塘中的水，經(jīng)排水口進(jìn)入管道。管道上設(shè)置有進(jìn)氣口，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣體可經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入管道內(nèi)部。進(jìn)氣口設(shè)置有特殊選擇性分離性的中空聚烯烴分離膜作為分離單元，在兩側(cè)壓差的作用下，混合氣體能夠依靠膜中溶解擴(kuò)散系數(shù)的差異實(shí)現(xiàn)氣體分離。具有高滲透率的氣體，如水蒸氣和氧氣，在穿透膜的過程中被富集，而相對緩慢滲透率的氣體則留在膜的另一側(cè)。此時(shí)，溶解有氧氣的水體經(jīng)管道通過排水孔排出。排水孔與水面存在一定的落差，在液體下落的過程中，池塘表面產(chǎn)生水花，增大了氧氣和水體的接觸面積，高效增氧。

在行駛過程中，船底安裝的旋轉(zhuǎn)八片葉輪可攪動水體，葉輪上的排水孔將水分子打碎，上層水與下層水互相交換，實(shí)現(xiàn)水體循環(huán)，同時(shí)，旋轉(zhuǎn)葉輪由于機(jī)械傳動作用可上下伸縮，在完成表層，上中層增氧的條件下，盡可能的完成底部增氧。

智能控制模塊采用基于nRF51822 SoC的Nordic方案的藍(lán)牙模塊SKB369，接口豐富，支持UART/SPI/GPIO/IIC，孔口處連接單片機(jī)。當(dāng)嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊SKB369，可以為增氧船模塊設(shè)定控制參數(shù)及航行線路。增氧船航程一段時(shí)間后，若檢測到溶解氧含量達(dá)到某一規(guī)定數(shù)值，水泵電源停止供電，增氧過程停止。

3 數(shù)據(jù)分析

各部分詳細(xì)數(shù)據(jù)分析如下：

3.1 工作原理模型

當(dāng)新型魚塘增氧船工作時(shí)：潛水泵的進(jìn)水口可抽取魚塘中的水，經(jīng)排水口進(jìn)入管道。管道上設(shè)置有進(jìn)氣口，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣體可經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入管道內(nèi)部。進(jìn)氣口設(shè)置有特殊選擇性分離性的高分子聚合纖維塑料作為分離單元，分離得到的較高濃度的氧氣進(jìn)入管道，水體經(jīng)船艙上的排出孔排入池塘，我們設(shè)計(jì)增氧船的滿載質(zhì)量40kg。

ρ水gν排=G船=m總g （1）

由公式（1）可得：ν排=m總ggρ水=40dm3（2）

ν排=AH吃（3）

由公式（3）可得船的最大吃水深度為40mm，而船體的極限高度為400mm。此時(shí)，排出孔與水面存在一定的落差，產(chǎn)生的水花增大了氧氣與空氣的接觸面積，可實(shí)現(xiàn)二次增氧。

2.2 分離膜的作用

中空聚烯烴分離膜是具有特殊性選擇性的高分子聚合纖維塑料，能夠?qū)崿F(xiàn)難溶氣體和易溶氣體的分離。

2.3 水流對船體的阻力值

螺旋槳水流對船體的阻力可由下式來確定：

F阻=0.5GνS（4）

式中：Cν—流體阻力系數(shù);S—吃水面積，m2; ρ—流體的密度，t/m3。

浸潤面積S取魚塘增氧船在滿載增氧裝備時(shí)候的最大吃水深度值，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，該魚塘增氧船的最大吃水深度為36mm，根據(jù)數(shù)學(xué)插值方法計(jì)算可得，浸潤面積S≈0.323m2。設(shè)魚塘增氧船在水中行駛時(shí)的最大速度為1m/s，則船在行駛過程中，魚塘水流對船體的阻力為：

F阻=0.5×1.1×0.323×1×103×1=177.65N（5）

則m=F阻g=177.65/9.8=18.1kg（6）

根據(jù)預(yù)估的36mm吃水深度，雙槳螺旋槳直徑

D=1.2×F阻×36mm/100=76.74mm（7）

由此得出螺旋槳直徑約76.74mm。螺旋槳為于船體后部，可上下伸縮，其產(chǎn)生的推力可以使船體靈活轉(zhuǎn)向，增氧更高效。

2.4 智能控制系統(tǒng)

對于藍(lán)牙連接通信，nrf51822soc基于Nordic schome的藍(lán)牙模塊，支持藍(lán)牙4.2ble和br/EDR。內(nèi)置藍(lán)牙串行通信模塊有兩種工作模式。當(dāng)模塊處于響應(yīng)命令的工作模式時(shí)，可以執(zhí)行AT命令。用戶可以設(shè)置控制參數(shù)或向模塊發(fā)送各種AT命令，并發(fā)送模塊的控制命令。該命令是一組用于設(shè)置多個(gè)終端設(shè)備參數(shù)的命令，用于多個(gè)終端設(shè)備之間的通信，如藍(lán)牙模塊和WiFi模塊等。藍(lán)牙模塊提供更靈活的硬件接口。可連接單片機(jī)，擬合增氧船增氧運(yùn)行路線，實(shí)現(xiàn)高效增氧及其智能化。

3 產(chǎn)品創(chuàng)新型優(yōu)點(diǎn)

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，該作品的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在如下方面：

增氧機(jī)載體采用流線型船體，改變了傳統(tǒng)的定點(diǎn)式增氧方式，解決傳統(tǒng)增氧方式增氧效率低下的問題。

新型的魚塘增氧船由船體，潛水泵，小型風(fēng)機(jī)，螺旋槳，旋轉(zhuǎn)八片葉輪，智能控制模塊等組成。船體動力采取電機(jī)與螺旋槳結(jié)合，螺旋槳放在船體后方，螺旋槳在提供推力的同時(shí)保證了增氧方式的靈活性，船艙底部設(shè)有的上下升降旋轉(zhuǎn)葉輪及船內(nèi)安置的風(fēng)機(jī)，潛水泵等，充分增大了氧氣與水體的接觸面積，高效增氧。

在進(jìn)氣口處具有特殊選擇性分離性的高分子聚合纖維塑料作為分離單元，依靠不同氣體在膜中溶解和擴(kuò)散系數(shù)的差異實(shí)現(xiàn)氣體分離。增氧船底部安裝旋轉(zhuǎn)八片葉輪，揚(yáng)水板上設(shè)置排水孔平衡阻力，同時(shí)打碎水花，增大水分了和空氣的接觸面積，產(chǎn)生的離心力可使上層水體向周邊擴(kuò)散，下層水體補(bǔ)缺，形成水體上下循環(huán)。

另外還可通過智能控制系統(tǒng)向該增氧船設(shè)置指令，擬定增氧運(yùn)行航線，當(dāng)增氧船航程一段時(shí)間后，若檢測到溶解氧含量達(dá)到某一規(guī)定數(shù)值，水泵電源停止供電，增氧過程停止。

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A new type of pond-increasing oxygen vessel based on automatic control theory

WANG Zihao

（Hebei University of Engineering， Handan 056038， Hebei China）

Abstract：Based on the research of current pond aquaculture， a new type of fish pond oxygen-increasing vessel based on automatic control theory was developed. The new type of automatic oxygen increasing ship is located in the mode of "Internet+university achievement patent transformation of aquaculture"， which has changed the traditional fixed-point oxygen increasing mode. The cabin is equipped with up and down rotating impeller and fan， submersible pump， etc.， to increase oxygen efficiently. The inlet is set with polymer fiber plastic as a separation unit to achieve gas separation. Intelligent control system， draw up aeration running route. The theoretical data of aeration vessel meet the basic requirements of hydrodynamics. This paper also provides ideas for the development of aeration technology for fish ponds in China.

Keywords：new fishpond aerated vessel; Automatic control; Pond farming第41卷第1期2022年2月 黑龍江水產(chǎn)Northern Chinese Fisheries學(xué)術(shù)專論Academic monograph

作者簡介：王子豪（2000.10-），男，河北張家口人。河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院本科在校生。學(xué)習(xí)專業(yè)：水利工程。E-mail：wzh1299962776@163.com。