網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動投餌裝置的設(shè)計與研究

劉昊 史曉敏 董帥喜 張益鵬

摘?要：網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)成為現(xiàn)代化養(yǎng)殖業(yè)的重要發(fā)展方向，但是目前國內(nèi)普遍采用的飼料供給模式仍然是由漁夫進行人工供給，其穩(wěn)定性較差。本文針對裝置結(jié)構(gòu)、投喂原理等幾個關(guān)鍵問題進行了詳細分析，開發(fā)出一種可以對魚群、水質(zhì)等進行監(jiān)測，并針對不同情況實現(xiàn)自動投喂的深海網(wǎng)箱自動投料裝置。這樣不僅能極大地提升魚苗的產(chǎn)量，還能保證魚苗的安全，這對魚苗的發(fā)展和海洋環(huán)境的保護都有很大的好處。

關(guān)鍵詞：自動控制；深水網(wǎng)箱；水產(chǎn)養(yǎng)殖

中圖分類號：TH122??文獻標識碼：A

Abstract：Cage?aquaculture?has?become?an?important?direction?for?modernized?aquaculture，but?the?current?common?feeding?mode?in?China?relies?on?manual?feeding?by?fishermen，which?suffers?from?poor?stability.In?this?study，we?conducted?a?detailed?analysis?on?key?issues?such?as?device?structure?and?feeding?principles，and?developed?a?deepsea?cage?automatic?feeding?device?that?can?monitor?fish?populations?and?water?quality，and?achieve?automated?feeding?under?different?conditions.This?not?only?greatly?enhances?fish?production?but?also?ensures?the?safety?of?fish?juveniles，benefiting?the?development?of?fish?juveniles?and?the?protection?of?marine?environment.

Keywords：automatic?control;deepsea?cages;aquaculture

隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，對飼料的投喂要求越來越高。投喂餌料是水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的重要投資，對養(yǎng)殖魚類的品質(zhì)、產(chǎn)量等有重大影響。目前，深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖主要以人工投喂為主，存在勞動強度高、投喂不均、效率低、餌料量難以控制等問題。飼料浪費會造成水體污染，惡化養(yǎng)殖環(huán)境，加劇魚類疾病，增加成本，降低效益。因此，科學合理的餌料投喂技術(shù)對養(yǎng)殖效果和生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要。

水產(chǎn)養(yǎng)殖中，如何控制飼料投入，實現(xiàn)飼料的可持續(xù)發(fā)展，是一個重要問題。隨著自動化養(yǎng)殖設(shè)備的發(fā)展，投喂裝置作為一種重要的養(yǎng)殖設(shè)備，越來越受到漁民的重視。為適應(yīng)不同的養(yǎng)殖方式，市場上發(fā)明了各種投餌器。但目前國內(nèi)普遍使用的自動投餌器存在飼料破損率高、運行穩(wěn)定性差等問題，無法滿足深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的穩(wěn)定性和安全性要求。許多西歐國家都實現(xiàn)了高度自動化，例如挪威的深水網(wǎng)箱自動喂食系統(tǒng)，可以監(jiān)測水質(zhì)和魚類狀況，實現(xiàn)自動化投喂和遙控操作。我國已有相關(guān)政策，支持開發(fā)適用的裝備，以實現(xiàn)精準投喂、節(jié)省餌料和保護水質(zhì)等目標，同時節(jié)約勞動成本，促進養(yǎng)殖魚類的健康成長。

1?裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1?總體結(jié)構(gòu)

裝置設(shè)備包括浮力底座，其頂部通過調(diào)節(jié)桿固定有支撐盤。支撐盤的頂部中間位置固定有自動放料結(jié)構(gòu)，而且圍繞該結(jié)構(gòu)固定設(shè)置有蓄電池、自動控制箱、氣泵和殘渣過濾結(jié)構(gòu)。此外，浮力底座的頂部還固定有飼料殘渣收集結(jié)構(gòu)。支撐盤的底部通過螺栓固定有出料結(jié)構(gòu)。

飼料殘渣收集結(jié)構(gòu)包括浮力底座、料渣收集套筒、支撐桿、攔截網(wǎng)、導(dǎo)氣管、浮力橡膠球囊、連通氣管、輸氣管和抽料管。其中，料渣收集套筒的底部連接抽料管，頂部連接若干支撐桿，支撐桿上固定有攔截網(wǎng)，相鄰的支撐桿之間通過連通氣管相連，其中一個連通氣管上固定有輸氣管，輸氣管通過氣泵與外界相連，導(dǎo)氣管連接浮力橡膠球囊，浮力底座連接殘渣過濾結(jié)構(gòu)的輸入端。

浮力底座包括外限制框，外限制框頂部通過延伸固定座與料渣收集套筒相配合。外限制框填充了與其內(nèi)腔配合的錐形橡膠氣囊，并且底端固定有掛鉤。外限制框的外側(cè)固定有連接限位耳板，頂部端面固定有底部連接座，與調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)動連接。

自動放料結(jié)構(gòu)包括儲料筒和筒蓋。筒蓋通過電機罩固定在儲料筒頂部，而位于電機罩一側(cè)的位置固定有與儲料筒內(nèi)腔連通的加料斗。

支撐盤頂部的軸心處開設(shè)了與排料管配合的通孔。支撐盤頂部固定有電動伸縮桿，該桿通過外側(cè)延伸與支撐板固定連接。殘渣過濾結(jié)構(gòu)包括與支撐盤頂部固定連接的殘渣過濾箱。殘渣過濾箱頂部固定有與其內(nèi)腔連通的抽水泵，并且抽水泵的進水口與抽料管連通。

深水網(wǎng)箱自動投料裝置整體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

1.浮力底座；2.調(diào)節(jié)桿；3.支撐盤；4.自動放料結(jié)構(gòu)；5.蓄電池；6.自動控制箱；7.氣泵；8.殘渣過濾結(jié)構(gòu)；9.飼料殘渣收集結(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

1.2?投料原理

目前市場上有三種主要的裝置魚餌投放模式：氣動投放、振動投放和蝸輪蝸桿投放。其中，振動投放的穩(wěn)定性較差，精度較低，同時由于深海養(yǎng)殖環(huán)境的限制，經(jīng)常更換也不方便；而蝸桿驅(qū)動的蝸輪型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價昂貴，維修困難。

氣力輸送裝置由動力部分、輸送管道、儲料部分、混合加速部分、氣固分離部分和控制部分組成。動力部分為整個裝置提供動力源，保證物料穩(wěn)定輸送；輸送管道是物料運輸?shù)妮d體；儲料部分為裝置提供充足的物料；混合加速部分是裝置的核心之一，是物料與氣流混合輸送的重要保障；氣固分離部分是裝置的核心之一，主要作用是把物料從空氣中分離開，氣固分離設(shè)備的優(yōu)劣對整個裝置的性能有著至關(guān)重要的影響；控制部分影響整個裝置的運轉(zhuǎn)。氣力輸送的參數(shù)包括物料輸送量、物料與氣體的占比、氣流速度、風量、管道直徑、輸送的壓力等；氣力輸送的設(shè)計主要在于風機的選型、管道尺寸、氣流入口的風速、氣固分離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)、物料與氣流混合的結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

綜上所述，氣力輸送結(jié)構(gòu)簡單，布置靈活，工作效率較高，保證了物料的清潔干凈，適用管道輸送，應(yīng)用范圍較廣。

2?監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測飼料顆粒消耗是科學制定飼料策略的必要依據(jù)。通過監(jiān)測飼料顆粒的消耗情況，可以有效減少飼料的浪費和水污染，實現(xiàn)經(jīng)濟和生態(tài)效益的雙贏。為了進一步提高投喂的精度，需要實時監(jiān)測水下殘餌并反饋給投餌機控制投料量。然而，水下環(huán)境的光線差和干擾對最小進料粒子檢測和水下圖像處理提出了巨大挑戰(zhàn)。因此，需要采用先進的技術(shù)手段，如高分辨率攝像頭、圖像處理算法等，來提高水下圖像的清晰度和準確性。只有這樣，才能實現(xiàn)對水下環(huán)境的精準監(jiān)測和控制，從而更好地保護水生生物和水環(huán)境的健康。目前，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖主體還處于以手工采集信息為主，利用固定的水質(zhì)傳感器監(jiān)測為主的傳統(tǒng)模式。但此法需耗費大量的人力、物力、工效，并不能完全覆蓋整個水體，因而難以取得理想的效果。但是，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，有必要對水體進行全方位的立體監(jiān)測，以更好地認識水體的立體變化特點。為此，本項目擬通過在投喂裝置中設(shè)置多種傳感器，實現(xiàn)對水體及魚類狀態(tài)的全方位監(jiān)測。

2.1?傳感器系統(tǒng)

（1）溫度傳感器：溫度傳感器用于監(jiān)測水溫。合適的水溫對魚類的生長和繁殖至關(guān)重要。通過實時監(jiān)測水溫，可以及時采取措施調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境，保持適宜的水溫。

（2）溶解氧傳感器：溶解氧傳感器用于測量水中溶解氧的含量。溶解氧是魚類生長所需的關(guān)鍵參數(shù)，對于維持健康的水質(zhì)十分重要。通過實時監(jiān)測溶解氧含量，可以及時調(diào)整通氣設(shè)備或調(diào)節(jié)水流量，以確保充足的溶解氧供應(yīng)。

（3）pH傳感器：pH傳感器用于測量水域的酸堿度。適宜的pH值對魚類的生長、攝食和代謝有重要影響。通過實時監(jiān)測pH值，可以及時調(diào)整酸堿度，維持理想的水質(zhì)。

（4）氨氮傳感器：氨氮傳感器用于測量水中的氨氮含量。氨氮是飼料殘渣和魚類代謝產(chǎn)物分解的產(chǎn)物，過高的氨氮會對魚類健康造成嚴重影響。通過實時監(jiān)測氨氮含量，可以及時調(diào)整飼料投喂量和水質(zhì)處理設(shè)備，保持適宜的水質(zhì)。

這些傳感器的選用取決于具體的養(yǎng)殖需求和監(jiān)測要求。通過實時監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)和環(huán)境條件，可以及時發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取相應(yīng)的措施進行調(diào)整，確保良好的養(yǎng)殖環(huán)境和魚類的健康生長。

2.2?視覺識別系統(tǒng)

2.2.1?該系統(tǒng)包括的構(gòu)件

（1）攝像頭：用于拍攝深海網(wǎng)箱內(nèi)部的圖像。

（2）圖像處理單元：用于對攝像頭拍攝到的圖像進行處理，提取出感興趣的目標，并將目標的位置和特征信息提取出來。

（3）控制單元：用于接收圖像處理單元提取出來的目標信息，并根據(jù)這些信息來控制養(yǎng)殖網(wǎng)箱的運行狀態(tài)。

2.2.2?該系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能

（1）監(jiān)測魚類數(shù)量和體重：通過對攝像頭拍攝到的圖像進行處理，可以提取出養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)的魚類數(shù)量和體重信息。這些信息可以用于監(jiān)測魚類的生長情況，以及確定飼料的投放量和時間。

（2）監(jiān)測水質(zhì)：通過對攝像頭拍攝到的圖像進行處理，可以提取出水質(zhì)信息，如水質(zhì)渾濁度等。這些信息可以用于監(jiān)測水質(zhì)狀況，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。

（3）監(jiān)測網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)：通過對攝像頭拍攝到的圖像進行處理，可以提取出養(yǎng)殖網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)信息，如網(wǎng)箱內(nèi)部障礙物、網(wǎng)箱外部海洋環(huán)境等。這些信息可以用于監(jiān)測網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)狀況，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。

總之，該視覺傳感器系統(tǒng)可以幫助深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)主更好地監(jiān)測和控制養(yǎng)殖環(huán)境，提高養(yǎng)殖效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

3?自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計

投餌控制裝置硬件由通信模塊、含EEPROM的單片機，實時時鐘電路、D/A轉(zhuǎn)換器等結(jié)構(gòu)組成。

（1）通信模塊：隨著技術(shù)的進步，無線通信技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進步，它能夠有效地解決控制室與養(yǎng)殖網(wǎng)箱之間的通信問題，并且能夠提供更高的可靠性和更長的傳輸時間，從而降低了成本。通過使用VB中的MSCOMM編程語言，我們可以創(chuàng)建一個高效的無線通信系統(tǒng)，它可以將數(shù)據(jù)和控制指令進行快速、準確的傳輸，并且可以與投餌機的單片機進行有效的交互，從而使得投餌機能夠更好地完成任務(wù)。

（2）實時時鐘模塊：選擇準確性高、耗能低的實時時鐘芯片（如DS1302、DS3231），連接電源并提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)，初始化時鐘芯片的相關(guān)參數(shù)（如時間、日期、鬧鐘等），為用戶提供友好的界面，使用LCD顯示屏和按鍵等設(shè)備來實現(xiàn)用戶界面，讓用戶可以直觀地看到當前時間，并進行設(shè)置。

（3）D/A模塊：在這個自動投料儀中，我們選用了一款12位串行的D/A芯片，型號為TLV5616。這款芯片具有高精度、低功耗、低失真等特點，非常適合用于這種需要高精度控制的場合。通過將數(shù)字信號輸入TLV5616芯片中，我們可以得到相應(yīng)的模擬電壓輸出，從而實現(xiàn)對直流電機的自動調(diào)速功能。通過使用D/A模塊，我們可以讓自動投料儀更加精準地控制直流電機的轉(zhuǎn)速。這樣一來，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以提高產(chǎn)品質(zhì)量。

4?結(jié)論

本研究開發(fā)的自動投料設(shè)備是專門為深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖而設(shè)計的。該設(shè)備由多個模塊組成，可以實現(xiàn)遠程控制和智能化投喂，從而提高養(yǎng)殖效率。經(jīng)過多次實驗和優(yōu)化，該設(shè)備已經(jīng)成功解決了傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式中頻繁投喂的問題，并取得了顯著的成果。未來，我們將進一步完善和優(yōu)化該設(shè)備，以便發(fā)揮更大的作用，為深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻。這一設(shè)備的研發(fā)不僅提高了養(yǎng)殖效率，也為深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖行業(yè)帶來了更多的便利和創(chuàng)新。

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基金項目：2022年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（202210340051）

作者簡介：劉昊（2001—?），男，漢族，江蘇連云港人，本科，研究方向：機械電子工程。

*通訊作者：史曉敏（1970—?），男，漢族，內(nèi)蒙古包頭人，研究生，副教授，研究方向：涉海類機械裝備設(shè)計與研究。