機器人技術在淡水產養殖病害測診中的應用初探

王廷軒 張欽玉

（1.濰坊職業學院，山東 濰坊 261000；2.壽光市第一中學，山東 壽光 262700）

山東壽光市不僅是冬暖式蔬菜大棚的發祥地，以盛產無公害蔬菜聞名全國，而且壽光的北部具有遼闊的水域資源優勢，形成了“南產蔬菜，北養魚蝦”的當地經濟發展模式。隨著水產養殖業的迅速發展，淡水養殖中魚、蝦病的發生越來越嚴重，使病原微生物的抗藥性也越來越強，有的病害導致池塘絕產，嚴重挫傷了水產養殖戶的積極性。為了解決家鄉水產養殖的這一難題，研制水產養殖病害測診機器人并在實踐中應用，可有效提高養殖魚、蝦的免疫力，達到預防為主的科學效果。提高魚、蝦的成活率達12.5-17.3%，魚單位面積提高產量82.1公斤，蝦單位面積提高產量56.1公斤，被當地水產養殖戶稱為“水產大夫”。

1 主要研究思路

1）利用智能化信息處理系統代替人們在水中自由進行水環境指標的智能化檢測和對水產養殖的生理狀態診治。

2）運用溫度傳感器、溶氧度傳感器、pH值傳感器等智能化系統進行水質環境的隨機抽樣檢測。

3）利用太陽能電源為淡水養殖病害診治機器人提供能量，節能環保。

4）通過編程設計，控制機器人在水產養殖環境中進行各項功能系統的運行。

2 淡水養殖病害測診機器人的主要研制內容

2.1 能源供應系統

能源是水產養殖病害測診機器人的動力，機器人的智能行走和升降系統、水環境檢測系統、臭氧殺菌系統等多項功能的運行需要大量的能源。考濾水中環境復雜，能使其長時間工作，因此除了安裝我們自己制作的的高儲能電池，還為了節約能源和提倡環保，我們利用太陽能電池板的電能作為淡水養殖病害測診機器人的能源，通過充電系統為病害診治機器人進行能源儲存，在水中為系統的運行提供充足的動力。

機器人的能源系統是太陽能電池板將太陽能轉換為電能，通過高能電池存儲能量，當機器人電量不足時，導航運行系統再控制機器人回到充電地點，自動完成充電對接，充電完畢后，機器人可繼續執行上次未完成的任務。

2.2 控制系統

水產養殖病害測診機器人的主控制器包括數據采集系統和數據處理系統兩部分，在制作水產養殖病害測診機器人的控制系統時，由于機器人主要在水中完成多項功能的運行，主控制系統我們選取功能齊全、可靠、集成度高的MC68HC908AP64微處理器；總線工作頻率8M,64k flash存儲器,8路10bit模擬輸入口，4路timer輸入,8位數據總線，一個普通SCI端口,一個紅外SCI端口,一個SPI端口,一個通用并行I/O端口，具備中斷和多種復位方式。該單片及功能強大，擴展能力豐富，通過其他邏輯芯片的擴展了5各數字量輸入端口，5個模擬量輸入端口和4個擴展槽。

該單片機內部集成了存儲器，不用擴展存儲器，我們可以寫入機器人程序；64k flash存儲器，存儲容量較大，適宜于我們根據機器人的不同任務更換不同的執行程序。

該機器人的很多功能模塊是基于這些通訊端口的，例如釋放臭氧模塊、無線通訊模塊、環境檢測模塊等。

在軟件編程研究中，我們應用MOTOROLA軟件，它可通過編寫C語言程序來開發高層應用軟件。

2.3 導航系統

（1）導航系統

水產養殖病害測診機器人的導航系統由數字指南針、角度傳感器等部分組成。在導航方式上，我們使用設定航線行走的方式。即在機器人需要工作的路徑上，在水中預先設計軌跡線路，機器人在行走時將通過調整角度方向，使機器人在池塘中按照設定路線行進，完成對水環境和養殖動物的行走檢測和定時觀察。另外，在機器人的內部安裝一個數字指南針，它的主要作用是矯正機器人的運動方向。

（2）行進升降系統

機器人的行進系統主要是控制機器人在水中進行前進和轉向，機器人的前進是通過步進電機的信息指令，推動機器人在水中向前行走和停止。通過角度傳感器，控制機器人在行進中的轉彎方向。另外，在機器人的體內還安裝有一個升降器，當選定在池塘的某一位置讓機器人進行一定時間的病情觀察時，機器人將會停在設定位置，通過升降系統將病害測診系統固定在一定位置進行觀測，然后將觀測后的信息傳輸到計算機上。

2.4 水產病害測診系統

淡水養殖魚或蝦的生長過程中避免不了受到各種病原微生物的侵害，受到病原微生物侵害的水產品，會表現出系列的臨床特征，如病魚體表不光滑，體色發黑，鱗片不完整有脫落，鰭條末端腐爛，身體有些部位充血、腐爛，眼睛突出，有些眼睛渾濁，體表有寄生蟲，正常魚鰓蓋閉合，病魚鰓蓋張開，鰓腔內有淤泥，鰓蓋表皮腐爛，粘液增多等特征。機器人利用視覺系統，根據發病時狀態的變化，將信息傳輸到特征欄上進行信息處理，診斷出發生病蟲害的類型，確定實施不同的預防治療方案。當水產動物在水中發生細菌、真菌和病毒等病害時，機器人跟蹤病殘魚體進行檢測系統發現有病變特征時，通過識別確認，機器人將自動更換不同方式，進行病害的防治。

2.5 臭氧滅菌系統

在水產養殖生產中，由于魚、蝦在水中的生長代謝，避免不了在水中會產生大量細菌、真菌、病毒、寄生蟲等病原微生物，由于長期使用化學性藥物，水中的多種微生物對化學藥物容易產生抗藥性，當水中發生真菌、細菌、病毒等動物病害時，機器人可利用臭氧滅菌系統產生臭氧，對水中的病原微生物進行防治。臭氧發生器的原理是機器人控制臭氧管的高壓放電，使氧氧雙鍵斷裂生成臭氧，臭氧溶于水形成臭氧水。

臭氧是一種很強的氧化劑，能直接氧化分解病原微生物內部氧化葡萄糖所必需的酶,從而破壞細胞膜將細菌殺死,一定濃度的臭氧還可迅速殺滅頑固致病性的真菌、細菌，并且在水中和水產品中不存在任何殘留物,沒有二次污染。

2.6 水環境檢測系統

在淡水養殖過程中，病害是一定的病原微生物，在一定的水環境條件下發生的。淡水養殖的水環境主要包括自然因素、人為因素和生物因素。運用淡水養殖病害診治機器人可通過系列的信息傳感器，及早檢測池塘水環境的溫度、PH值、溶氧度、有害氣體、寄生蟲等數據可以通過無線數傳系統傳輸到PC機，通過PC機強大的數據處理功能，進行科學養殖和管理。

（1）水溫檢測傳感器：水溫不適，可使魚體皮膚異常，影響抵抗力，導致各種疾病的發生，水產養殖在不同的發育階段，對水溫也有一定的要求。

（2）溶氧檢測傳感器：淡水養殖種類、年齡的不同，對溶氧的要求也不同，正常的溶氧度為4-14毫克/升，溶氧度低于3毫克/升，魚會出現浮頭現象，嚴重時會窒息死亡。若水中溶氧度過高，超過14毫克/升，魚又會患“氣泡病”。

（3）水質檢測傳感器：水體中的PH值、氨、氮、硫化氫和氯氣等含量發生較大的變化。這些有害氣體和物質集聚到一定數量后，水質惡化，會導致病原微生物的繁殖。

（4）放養狀態監測傳感器：放養密度不當和比例不合理，會導致餌料不足，營養不良，抵抗力減弱。

另外，在機器人的升降系統部分還加裝了一個圖像云臺，機器人在行走過程中，通過旋轉不斷掃描淡水養殖的的生長狀況，并把圖像傳回控制中心。

3 試驗效果

為了進一步檢驗淡水養殖病害診治機器人應用效果，我們分別在家鄉附近的養魚場、養蝦場進行了不同地點的對比試驗，試驗結果如下：

表1 淡水養殖病害診治機器人在養魚場的對比應用效果（鰱魚）

表2 病害診治機器人在養蝦場的對比應用效果（對蝦）

試驗表明，應用病害診治機器人進行淡水養殖，不僅提高池塘中的成活率，增高單位面積的產量，還通過對比試驗檢測，能提高水產養殖的產品蛋白含量，減少水產品的藥物殘留。