網箱養殖智能投飼設計

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由于野生魚類資源的日趨枯竭，網箱養殖得以迅速發展。飼料投喂是養殖生產中一個重要的環節。目前在網箱養殖場廣泛使用的投飼機，僅僅是代替了人工拋灑飼料這個重復動作。使用傳統投飼機的養殖戶不僅需要定時到網箱養殖現場進行投喂，更難以精確掌握最能滿足養殖對象需求的投飼量［1］。投飼過少則導致養殖對象生長緩慢，影響產量，投飼過多則會增加飼料成本，同時會造成養殖海域的環境污染。工廠化大規模網箱養殖技術推動了自動投飼裝備與技術的發展，國內已經取得了一定的研究成果，如遼寧省海洋牧場工程技術研究中心研制出一種遠程監控投飼系統可以實現遠程定時定量投飼［2］。但魚群對飼料的需求量受魚齡、健康狀況、水溫、溶解氧、光強等復雜因素的影響，在合理投飼方面，這些研究成果都只是根據預設的經驗值“定量”投飼，智能性還略顯不足。因此，研究一種新型智能投飼系統，結合監測與反饋控制以調控投飼時間及投飼量，提高飼料投喂的合理性，是網箱養殖業迫切需要解決的問題之一。現有網箱監測技術大多是針對網箱內魚群的形態監測，了解魚群的生長速度，或是針對網衣的監測，避免網衣破損、魚群逃逸造成損失。專門針對飼料投放狀況的監測在國外發展很快，技術相對比較成熟［3-4］，但國內還處于研發起步階段，相關產品及報道都較少［5-6］。對水下目標的探測常用的有光、電、聲、磁等方法，網箱養殖中使用的飼料作為一種水下小目標，比較適合用光學或聲學的方法進行探測。考慮到我國的海水養殖業大多都還是在近海海域，海水渾濁導致水下能見度低，不適合用光學方法，必須借助于水聲設備才能進行水下探測。本文提出一種利用聲學方法來監測投飼情況、控制投飼過程的方案，以解決網箱養殖合理投飼的問題，同時減少養殖活動對海洋環境的影響。

1投飼監控系統概述

圖1給出了一種基于聲學原理實現智能投飼監控的方案示意圖。根據魚類的生活習性，在其進食活動剛開始不久，滲透到網箱底部的飼料是很稀疏的，而當其進食活動逐漸接近尾聲時，滲透到網箱底部的飼料就會逐漸多起來，這一特點可以用來確定當前的投飼量以及是否還應繼續投飼。在網箱的底部用重錘懸吊安裝一個投飼監測儀，即一套收發合置的回聲探測聲納。該聲納向網箱底部區域發射一束聲波。依據目標聲學反射原理［7］，聲波在傳輸過程中，如果遇到目標飼料就會產生回波，通過分析接收到的回波信號能量值來判斷飼料滲漏的量，并產生一個信號反饋到投飼控制系統，以控制投飼機的動作，減少欠投、過投等現象。本方案中，回聲探測聲納的選用是關鍵，聲納性能、成本等因素將影響該方案的使用效果。

2聲學監測系統設計

2．1單波束聲納監測

回聲探測聲納以波束形式分類，有單波束和多波束，單波束聲納結構簡單、實現方便、價格低廉，比較適合網箱養殖投飼監測用。圖1中，回聲探測聲納向網箱底部區域發射具有一定開角的聲束，聲信號在傳播過程中遇到因過剩而落向海底的飼料時會發生發射，聲納接收某一段時間內的反射波，并傳輸給信號處理電路以計算其能量。某一段時間t1～t2(ms)內接收到的信號能量的計算方法為:E=∫t2t1|v(t)|2dt(1)式中，v(t)為接收到的反射信號電壓，V;E為接收到的反射信號能量值，W•ms。在養殖對象進食初期，E應該是個小量，隨著進食過程接近尾聲，E將會逐漸增大。如圖1所示，t1取聲波從O點到A點傳播時間的2倍，t2取聲波從O點到B點傳播時間的2倍，這樣選取是為了重點計算被監測網箱底部范圍內的飼料所產生的聲反射信號能量，避免鄰近網箱的干擾，考慮到海流的因素可以適當整體提前或延遲t1～t2的時間。聲信號的頻率與監測效果有很大的關系，要根據飼料顆粒的大小來選取，通常對于魚類網箱養殖，其發射頻率在200～500kHz之間比較合適，這一頻率范圍的聲波對于飼料比較敏感，作用距離也比較合適，簡單的聲納設備就可以達到10～50m的作用距離。此外，波束開角也會影響監測結果，波束開角過大，有可能把網箱底部、海底的反射能量一同計算進去，因此在這種情況下，一般取波束角≤10°。為了減少網箱底部網衣或海底可能引起的聲波反射，聲納換能器可以采用橢圓結構，將長軸放置在水平方向，短軸在海深方向，這樣可以大大減少海底和網衣的影響。

2．2固定多波束聲納監測

單波束聲納在某一時刻只能針對波束聲軸方向上的一個固定范圍實施監測，若要擴大監測范圍，則需對其進行回轉、俯仰等機械操作，在水下實施這些機械動作往往意味著設備復雜程度的提高和成本的上升。電子多波束聲納可以在比較大的區域內實施監測，不需要機械動作，性能也比較穩定可靠，它與單波束聲納相比，搜索速度較快，獲取的信息量大，但其系統復雜，價格昂貴，不適于網箱養殖監測的需要。為了簡化監控系統，同時降低成本，本文提出固定多波束的概念，類似于多部單波束聲納同時工作，這種監測方法布設如圖2所示。和單波束聲納方案不同的是，圖2中的4個回聲探測聲納為一組，對應周圍4個網箱，每組聲納共用1個控制系統。由于投飼控制是一個相對慢變的過程，可以使用電子開關采取分時操作方式，用1套電子系統實現同時對4個網箱的投飼監控。大多數方形、圓形網箱都可以采用這種方式，還可以根據網箱的形狀和布設特點，加減換能器的數量和調整換能器的安裝方位，以適應特定網箱的監控需求。對于這種固定多波束投飼監測設備，要求在每個網箱的相應位置上安裝1臺投飼機，將飼料回波信號按照與單波束監測聲納同樣的控制算法進行計算和控制。聲納監測過程中同樣要避免或減少海底和網箱底部網衣的影響，除了采取與單波束聲納相同的時隙控制外，還可以采用頻率隔離和物理隔離，以減少多波束之間的互相影響。

3投飼控制系統設計

3．1投飼機的控制算法

圖3是投飼機控制原理的示意圖。投飼機通過螺旋或振動方式將飼料送到進料管道，螺旋推進或振動的速度決定了飼料流量，所以控制投飼機的電機狀態(轉速或轉角)就可以進行飼料流量控制。控制器的受控對象一般是線性非時變的單參數反饋系統，可以采用經典的PID控制算法［8］。圖3投飼控制示意圖Fig．3Diagramoffeedingcontrol圖3中，e=r－E是參考能量r與反射波能量E的誤差;e的比例、積分、微分三者之和構成電機控制量u;y為轉化的飼料流量控制量，g/s。需要預設的數據有2個:參考能量r，上限投飼時間T。控制算法如(2)式所示:u(t)=kpe(t)+ki∫t0e(τ)dτ+kdde(t)dt(t＜T)0(t≥T{)(2)控制算法是基于對飼料過剩量的控制，需要將飼料過剩量作為監測對象并作為控制依據，所以該算法是建立在有微量飼料剩余的基礎上的。為了減少過剩飼料的浪費，可以選取參考值r為接近于0的一個小值，以使得飼料經過魚群進食之后只有少量透過網箱。選定參考值r后，在電機控制下，飼料流量會根據魚群的進食程度自動調整，保證透過網箱的飼料在預設值范圍內。當飼料過剩量很小甚至沒有過剩時，可能造成控制算法的失效，為防止這種現象，在算法中引入時間量T控制投飼過程的總時間。時間量的引入有兩個作用:(1)當飼料流量保持在一個很低的水平，但仍有接近r的反射波能量E時，可以判斷魚群幾乎不進食，只要T達到就關閉投飼機;(2)即使在沒有飼料過剩的情況下，當投飼達到一定的時間T后也需要結束投飼過程。

3．2控制算法的硬件實現

以控制螺旋推進式投飼機的控制為例，圖4顯示的是基于ARM920T/Linux平臺的智能投飼監控系統硬件結構圖。回聲探測聲納檢測到過剩飼料產生的聲反射信號，并將這種信號轉化成電信號，通過一定的信號調理過程，送給CPU進行AD采樣，轉化成單位時間內的能量信號進行增量式數字PID推導，再用推導的輸出量去調制PWM波形，送入高速光耦隔離器;耦合的信號以雙極H橋方式驅動投飼機直流電機，實時控制電機轉速以調整投飼流量，通過該反饋過程實現將剩余飼料限制在預設的較小范圍，以實現智能投飼。圖4控制器硬件結構圖Fig．4Hardwareoffeedingcontrol監控系統的主控CPU選取SAMSUNG公司的通用型ARM9-S3C2440;WIFI模塊選用CONE-XTOP公司的WiBoard接口板，作為接口擴展以滿足大規模養殖投飼監控的需求;操作系統采用開源的ARM-Linux-2．6．28，便于驅動以及圖形界面的快速開發;顯示設備實時顯示投飼反饋的反射波能量值和輸出的控制量，提供操作人員現場監控。任何時候都可由標準按鍵和鼠標接口進入程序設置界面，設置反射能量參考值r和上限投飼時間T。

4規模養殖投飼監控設計

現代海水網箱養殖一般都是成規模養殖，有多達數百個網箱。對海上牧場的投飼過程進行監控可以有兩種方式:一種是采用2．2節介紹的固定多波束方法，投飼監控設備和投飼機采用移動方式，投飼完一組網箱后移動到下一組，如此循環，完成整個海上牧場的投飼過程，顯然這是一種低效率的投飼方式。本文提出一種采用多套投飼監控設備和投飼機的組網式投飼監控系統，以實現對于大型海上養殖牧場的遠程智能投飼與監控。圖5給出了其系統結構。圖5投飼監控系統結構圖Fig．5Structureoffeedingmonitorsystem在大規模海水養殖中，鄰近的網箱投飼監控設備(如圖5中監控點1和2)之間采用有線連接，構成一個網箱平臺，而后各個網箱平臺之間再通過無線組網成WLAN［9］。無線方式可以選擇WIFI，工作在UHF頻段，數據傳輸速度較高，組成的網絡具有良好的穩定性和可靠性，組網成本低。這對于降低投飼監控網的建設和使用成本是有益的，但是其通訊距離有限，通常≤300m。所以在若干個WIFI之間要加入IP網絡接入點，將這些數據匯總后通過無線方式(比如3G網絡)發往有公網IP的岸基數據處理網絡服務器，供岸上管理人員遠程監視和控制，利用IP公網實現更大規模的網箱養殖海域的投飼監控。

5結語

本文就網箱養殖中的投飼量控制問題，提出了一種基于目標聲反射原理的智能投飼監控方案，并從投飼監控原理、控制算法設計、系統硬件設計以及大規模養殖網絡結構等方面進行了論述。該方案克服了已有的自動投飼機只能定時或定量投飼的缺點，能夠做到精確滿足養殖對象在不同養殖環境下的飼量需求，避免欠投、過投現象，在最大程度降低飼養成本并保護養殖水域環境的同時，保證魚群的正常生長。值得強調的是，該方案采用了聲學方法探測剩余飼料，而聲波在渾水中傳播時其能量損失很小(聲波頻率為300kHz，懸浮泥沙濃度為2～3g/L時聲吸收約為0.3dB/m，常用網箱的直徑＜20m，最大聲衰減＜6dB)，因此，聲納探測可以正常工作在光學探測等難以進行的渾水海域，在黃海、東海等渾水海域的網箱養殖中更具有應用價值。