漁光一體傳送式喂魚(yú)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

江炳蔚 吳帆

摘 要：設(shè)計(jì)一種漁光一體傳送式喂魚(yú)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)追光式光伏發(fā)電、定時(shí)誘魚(yú)、振動(dòng)感應(yīng)報(bào)警、傳送定點(diǎn)投喂魚(yú)食等功能。通過(guò)定時(shí)芯片開(kāi)啟誘魚(yú)裝置，由振動(dòng)傳感器感應(yīng)魚(yú)群產(chǎn)生的振動(dòng)并報(bào)警提醒，自動(dòng)開(kāi)啟放置有投餌器的傳送帶，通過(guò)超聲波檢測(cè)投餌器與誘魚(yú)樁的距離，使投餌器停止在固定的投喂點(diǎn)進(jìn)行集中式喂魚(yú)；系統(tǒng)由架設(shè)在魚(yú)塘水面上的自動(dòng)追光式光伏發(fā)電裝置供電。通過(guò)仿真與調(diào)試，喂魚(yú)控制系統(tǒng)能做到定時(shí)、定點(diǎn)投喂，節(jié)省人工，節(jié)能環(huán)保。

關(guān)鍵詞：喂魚(yú)控制系統(tǒng)；振動(dòng)傳感器；追光式光伏發(fā)電

DOI：10.11907/rjdk.172533

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）004-0111-04

Abstract：This paper designs a controllable mobile fish-feeding system powered by solar energy. The system can mainly achieve the pursuit of light-type photovoltaic power generation， timing trapping fish， vibration sensor alarm， and regular fishfeeding delivery. The timing chip opens the fish device and the alarm is triggered by a vibration sensor； the conveyor belt is automatically opened. By ultrasonic testing device and the feeding vibrator distance， the feeding is stopped at a fixed feed point， to conduct concentrated feeding.The entire system can be powered by an automatic chase-type photovoltaic power plant on the surface of the fish pond. Through simulation and debugging， the sensors in the whole system can realize timely and fixed point feeding， which saves labor and energy and protects the enviroment.

Key Words：fish-feeding control system； vibration sensor； spotlight type photovoltaic power generation

0 引言

我國(guó)自古以來(lái)就是一個(gè)漁業(yè)大國(guó)，千百年來(lái)，養(yǎng)魚(yú)投喂方式一直都是人工大面積地向魚(yú)塘中拋灑魚(yú)食，這樣可能導(dǎo)致魚(yú)食來(lái)不及被取食就已沉入水底。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種漁光一體傳送式喂魚(yú)控制系統(tǒng)，既節(jié)省人工又避免浪費(fèi)，符合綠色節(jié)能要求[1]。

漁光一體傳送式喂魚(yú)控制系統(tǒng)通過(guò)定時(shí)開(kāi)啟誘魚(yú)裝置，集中吸引魚(yú)塘中的魚(yú)苗，聚集魚(yú)群所產(chǎn)生的振動(dòng)，由振動(dòng)傳感器感應(yīng)報(bào)警提醒，并自動(dòng)開(kāi)啟投餌器傳送帶，通過(guò)超聲波檢測(cè)投餌器與誘魚(yú)樁的距離，使投餌器停止在固定的投喂點(diǎn)進(jìn)行集中式投喂。同時(shí)，在魚(yú)塘水面上方安裝自動(dòng)追光式光伏發(fā)電裝置，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)光入射角度，使光伏板在水平和垂直方向之間雙軸自由旋轉(zhuǎn)，提高光伏電池組件發(fā)電量，給喂魚(yú)控制系統(tǒng)供電，另外起到遮陽(yáng)作用，有效控制魚(yú)塘水溫。系統(tǒng)通過(guò)傳感器密切配合，能定時(shí)、定點(diǎn)投喂魚(yú)食，節(jié)省人工，節(jié)能環(huán)保。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 自動(dòng)追光式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)已在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，在魚(yú)塘中設(shè)置自動(dòng)追光式光伏發(fā)電如圖1所示。自動(dòng)追光式光伏發(fā)電裝置能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)太陽(yáng)光入射角度，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)在水平和垂直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整光伏板角度，保證光伏板始終與太陽(yáng)光線垂直，以達(dá)到最大光伏發(fā)電效率[2]。

1.2 定時(shí)誘魚(yú)振動(dòng)提醒系統(tǒng)

自動(dòng)定時(shí)誘魚(yú)系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，用戶通過(guò)LCD界面設(shè)置投喂時(shí)間，設(shè)定完成后，可通過(guò)按鍵關(guān)閉顯示屏以節(jié)約電能。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定投喂時(shí)間時(shí)，振動(dòng)提醒系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)魚(yú)群被誘魚(yú)燈成功集中到固定投喂點(diǎn)后，魚(yú)群會(huì)引起水面擾動(dòng)，這時(shí)通過(guò)振動(dòng)檢測(cè)模塊檢測(cè)水面振動(dòng)強(qiáng)度，如果達(dá)到設(shè)定的震動(dòng)強(qiáng)度，說(shuō)明已經(jīng)有足夠多的魚(yú)群集中到了投喂點(diǎn)，蜂鳴器響起，開(kāi)啟傳送帶電機(jī)開(kāi)關(guān)，為傳送投喂工作提供準(zhǔn)備。定時(shí)誘魚(yú)振動(dòng)提醒系統(tǒng)如圖2所示。

1.3 飼料投喂系統(tǒng)

傳送帶將投餌器運(yùn)送到指定投喂點(diǎn)，通過(guò)超聲波檢測(cè)投餌器到誘魚(yú)樁的距離，由繼電器控制飼料投喂系統(tǒng)的開(kāi)啟與關(guān)閉。飼料投喂系統(tǒng)開(kāi)啟后，投餌器開(kāi)始向周?chē)鷴仦暳?。投喂結(jié)束后，飼料投喂系統(tǒng)關(guān)閉，再由傳送帶反轉(zhuǎn)傳送回岸邊。當(dāng)投餌器中的魚(yú)食見(jiàn)底，將會(huì)報(bào)警提醒需添加飼料。飼料投喂系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

2 光伏系統(tǒng)原理及架構(gòu)

2.1 工作原理

以單片機(jī)作為主控芯片，光伏板裝置接收太陽(yáng)光，檢測(cè)太陽(yáng)光垂直角度的變化，并將檢測(cè)到的光線變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸給單片機(jī)，由控制器分析并控制旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)向[4]。圖4所示為光伏控制系統(tǒng)原理，該系統(tǒng)不僅為魚(yú)塘設(shè)備供電，而且還起到遮光控制魚(yú)塘水溫的作用。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)由電源模塊、單片機(jī)系統(tǒng)模塊、光照強(qiáng)度采集模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。光伏組件由光伏板、支架、轉(zhuǎn)動(dòng)軸和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成[3]，如圖5所示。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別對(duì)高度角和方位角兩個(gè)方向進(jìn)行控制。自動(dòng)追蹤器的方位軸垂直地平面，控制水平方向；另一根軸與方位軸垂直稱為俯仰軸，控制垂直方向。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別與光伏控制系統(tǒng)連接，光伏組件架與光伏板一體安裝，支撐桿一端固定于魚(yú)塘底面下的土或水泥中，另一端高于魚(yú)塘水面，與光伏組件架連接。

3 定時(shí)誘魚(yú)振動(dòng)提醒系統(tǒng)

定時(shí)誘魚(yú)振動(dòng)提醒系統(tǒng)由電源模塊、控制模塊、顯示模塊、時(shí)鐘模塊、振動(dòng)傳感器、按鍵操作模塊、提醒模塊和繼電器控制模塊組成。圖6為定時(shí)誘魚(yú)振動(dòng)提醒系統(tǒng)電路。

3.1 定時(shí)誘魚(yú)電路設(shè)計(jì)

定時(shí)誘魚(yú)電路以單片機(jī)為核心控制芯片，通過(guò)DS1302時(shí)鐘芯片進(jìn)行時(shí)間控制[5]，使用4個(gè)按鍵作為數(shù)據(jù)輸入方式，驅(qū)動(dòng)1602顯示器提示程序運(yùn)行過(guò)程和開(kāi)啟誘魚(yú)燈。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，單片機(jī)從DS1302時(shí)鐘芯片獲取時(shí)間，并通過(guò)鍵盤(pán)和1602顯示器配合完成系統(tǒng)時(shí)間、啟動(dòng)時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間的設(shè)定[6]。

3.2 振動(dòng)提醒電路設(shè)計(jì)

通過(guò)誘魚(yú)燈能夠?qū)⒋罅眶~(yú)群吸引過(guò)來(lái)，引起木樁振動(dòng)，通過(guò)振動(dòng)傳感器傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)發(fā)出提醒信號(hào)，同時(shí)開(kāi)起傳送裝置為投餌作準(zhǔn)備[7]。

4 飼料投喂系統(tǒng)

投喂傳送帶由傳送帶模塊、投餌器和超聲波檢測(cè)模塊組成，圖7為原理圖。飼料投喂系統(tǒng)從魚(yú)塘岸邊伸向魚(yú)塘誘魚(yú)樁附近，一旦誘魚(yú)樁檢測(cè)到魚(yú)群振動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng)，通過(guò)按鍵或紅外遙控方式將固定于傳送帶上的投餌器傳送至誘魚(yú)樁附近。投喂結(jié)束后，傳送帶反轉(zhuǎn)，將投餌器送回岸邊。

4.1 傳送帶模塊

由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)皮帶，將動(dòng)力傳送給下面的各個(gè)軸承，從而帶動(dòng)傳送帶運(yùn)行。工作人員接收到誘魚(yú)樁發(fā)出的提醒信號(hào)后自動(dòng)開(kāi)啟傳送帶開(kāi)關(guān)，通過(guò)按鍵或紅外遙控方式實(shí)現(xiàn)傳送帶的前進(jìn)、后退和調(diào)速。

4.1.1 紅外接收電路

紅外遙控接收采用1838T，它是小型一體化接收頭，把遙控器發(fā)送的數(shù)據(jù)（已調(diào)信號(hào)）轉(zhuǎn)換成一定格式的控制指令脈沖（調(diào)制信號(hào)、基帶信號(hào)），完成紅外線的接收、放大、解調(diào)。還原成發(fā)射格式（高、低電位剛好相反）的脈沖信號(hào)[8]，輸出TTL兼容電平。通過(guò)解碼把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

4.1.2 步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)傳送帶正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及調(diào)速，步進(jìn)電機(jī)為四相五線，由于單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)較小，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，所以單片機(jī)不能與步進(jìn)電機(jī)直接相連，需增加驅(qū)動(dòng)電路，可采用驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003增加單片機(jī)輸出的電流[9]。

4.2 超聲波檢測(cè)模塊

超聲波在投餌器中主要應(yīng)用于檢測(cè)投餌器剩余飼料及檢測(cè)投餌器與誘魚(yú)樁的距離。

4.2.1 設(shè)計(jì)說(shuō)明

（1）超聲波安裝在投餌器飼料倉(cāng)的蓋子上，并鏈接到投餌器的中控芯片上。當(dāng)飼料倉(cāng)蓋子合上時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟檢測(cè)模式。檢測(cè)模式下，超聲波探測(cè)蓋子與飼料之間的距離若大于設(shè)定值，則代表飼料剩余不多，這時(shí)候蜂鳴器響起，提醒工作人員添加飼料。

（2）自動(dòng)模式下，傳送帶將投餌器從岸邊傳送至魚(yú)塘中，此過(guò)程中，另一組超聲波將檢測(cè)投餌器兩側(cè)有無(wú)誘魚(yú)樁。當(dāng)誘魚(yú)樁在附近時(shí)，超聲波把信號(hào)傳送給中控芯片，中控芯片發(fā)出信號(hào)，打開(kāi)投餌器的飼料倉(cāng)，向兩側(cè)投喂飼料[10]。

4.2.2 檢測(cè)工作原理

超聲波檢測(cè)分別由控制芯片、超聲波發(fā)射器、超聲波接收器和報(bào)警電路組成?？刂茊卧饕δ苁前l(fā)送40kHz的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)發(fā)射換能器顯示為超聲波信號(hào)[11]。超聲波發(fā)射器的核心是多諧振蕩器和功率放大器，主要用來(lái)發(fā)射超聲波信號(hào)。超聲波接收器由回波放大接收電路和比較電路兩部分組成?；夭ǚ糯蠼邮针娐贩糯蠼邮盏降某暡?，比較電路將放大的信號(hào)與先前的信號(hào)進(jìn)行比較分析，得到相關(guān)數(shù)據(jù)[12]。如果檢測(cè)兩者之間距離到達(dá)設(shè)定范圍，報(bào)警電路即開(kāi)始工作。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 光伏系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

光伏系統(tǒng)子程序流程如圖8所示。

5.2 定時(shí)誘魚(yú)振動(dòng)提醒系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

振動(dòng)提醒系統(tǒng)子程序流程如圖9所示。

5.3 飼料投喂系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

飼料投喂系統(tǒng)子程序流程如圖10所示。

6 仿真與調(diào)試

圖11為光伏控制系統(tǒng)仿真，通過(guò)調(diào)試可實(shí)現(xiàn)：①手動(dòng)模式時(shí)，通過(guò)按上、下、左、右4個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)水平和垂直步進(jìn)電機(jī)4轉(zhuǎn)動(dòng)；②自動(dòng)模式時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)上下左右4個(gè)光敏電阻值模擬光線的強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的水平和垂直跟轉(zhuǎn)。

圖12為飼料投喂系統(tǒng)仿真，通過(guò)調(diào)試電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速+、調(diào)速-等功能。

7 結(jié)語(yǔ)

漁光一體傳送式喂魚(yú)系統(tǒng)利用光伏技術(shù)和智能控制技術(shù)，采用新型誘魚(yú)樁，不僅可有效地集中魚(yú)群，方便投喂，而且能夠檢測(cè)魚(yú)群是否被有效集中，避免了傳統(tǒng)投喂方式浪費(fèi)飼料的弊端，提升了魚(yú)塘的經(jīng)濟(jì)效益；運(yùn)用“傳送圖12 飼料投喂系統(tǒng)仿真

帶+投餌器”模式可以有效節(jié)省人力，大大節(jié)約了成本；光伏板產(chǎn)生的電能不僅能夠供給系統(tǒng)使用，還可并網(wǎng)發(fā)電。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)化了魚(yú)塘管理模式，又使魚(yú)塘效益大幅增加，值得推廣。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）