深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動(dòng)投餌機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉吉偉，王宏策，魏鴻磊

（1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧大連 116034；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)餌料投喂提出較高的要求。水產(chǎn)養(yǎng)殖中餌料的成本是一項(xiàng)重要投入，餌料的投放對(duì)養(yǎng)殖魚類的品質(zhì)、產(chǎn)率等有很大影響[1-3]。目前我國深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖主要采用人工投餌，投餌過程中存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、投喂不均勻、效率低、餌料量難以準(zhǔn)確控制等缺點(diǎn)。餌料的浪費(fèi)又會(huì)污染水質(zhì)，惡化養(yǎng)殖環(huán)境，還會(huì)增加魚類病害的發(fā)生，影響魚類的生長，增加養(yǎng)殖成本，降低養(yǎng)殖效益[4-7]。因此餌料的投喂技術(shù)是否科學(xué)合理，是影響?zhàn)B殖效果和生態(tài)環(huán)境的一個(gè)最重要的因素。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，控制養(yǎng)殖成本的投入，使水產(chǎn)養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展，餌料投喂技術(shù)非常重要。隨著自動(dòng)化養(yǎng)殖設(shè)施水平的不斷提高，投餌機(jī)作為養(yǎng)殖中重要的設(shè)備之一越來越受到養(yǎng)殖戶的重視。為適應(yīng)各種不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)方式，各種類型的投餌機(jī)被開發(fā)出來以滿足市場需求。國內(nèi)使用較多的自動(dòng)投餌機(jī)往往存在一些問題：例如餌料破損率較大，運(yùn)行的穩(wěn)定性不足，不能滿足深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)穩(wěn)定性[8-11]、安全性的要求，同時(shí)自動(dòng)化控制水平也有待提高。國外一些國家在水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化設(shè)施方面處于領(lǐng)先水平，例如挪威研制的自動(dòng)投喂系統(tǒng)集監(jiān)控、自動(dòng)投喂、遠(yuǎn)程管理等于一體，利用計(jì)算機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖向節(jié)能、環(huán)保、精準(zhǔn)、高效的生產(chǎn)方式發(fā)展，研制合適的設(shè)備可以節(jié)省勞動(dòng)成本，同時(shí)達(dá)到精準(zhǔn)投喂、節(jié)約餌料、保護(hù)水質(zhì)，促進(jìn)養(yǎng)殖魚類的健康生長。本文作者以深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖為重點(diǎn)，研制一種適用于網(wǎng)箱養(yǎng)殖用自動(dòng)投餌機(jī)，對(duì)自動(dòng)投餌機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和技術(shù)研究。

1 自動(dòng)投餌機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

自動(dòng)投餌機(jī)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、網(wǎng)箱軌道、投餌機(jī)構(gòu)等組成。投餌機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由單片機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)的控制軟件可以人機(jī)交互操作，操作人員可以通過計(jì)算機(jī)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行投餌操作也可以利用軟件自動(dòng)投餌。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)箱根據(jù)不同因素進(jìn)行科學(xué)合理投餌。

自動(dòng)投餌機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。自動(dòng)投餌機(jī)的工作原理：單片機(jī)接收到由計(jì)算機(jī)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送的控制命令后，單片機(jī)給出相應(yīng)的控制指令；餌料倉內(nèi)的傳感器檢查倉內(nèi)是否有餌料，如果有餌料，網(wǎng)箱導(dǎo)軌上的行走直流電機(jī)按某一速度勻速運(yùn)行到指定位置；單片機(jī)控制開關(guān)倉門步進(jìn)電機(jī)投放餌料，下料量通過開放倉門的程度和時(shí)間決定；餌料落在拋料機(jī)構(gòu)的弧形托盤上；單片機(jī)控制拋料直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，拋料直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接有矩形刷子，通過對(duì)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)現(xiàn)餌料360°的拋撒范圍，同時(shí)控制拋灑半徑；行走直流電機(jī)在網(wǎng)箱運(yùn)行軌道不同位置進(jìn)行定點(diǎn)拋撒，使餌料均勻落在網(wǎng)箱水面上。

圖1 自動(dòng)投餌機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的投餌過程進(jìn)行自動(dòng)化管理，可以提高網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動(dòng)控制設(shè)備的水平，科學(xué)合理投餌，降低養(yǎng)殖成本。自動(dòng)投餌機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)作為核心控制器，主要控制：對(duì)發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；控制各個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)流程；接受投餌機(jī)內(nèi)部傳感器信號(hào)；模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；和無線通信模塊、計(jì)算機(jī)的通信。自動(dòng)投餌機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

自動(dòng)投餌機(jī)運(yùn)行時(shí)，由計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，養(yǎng)殖人員可以實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)控制界面會(huì)記錄投餌量和投餌時(shí)間等參數(shù)，投餌機(jī)的位置、運(yùn)行狀態(tài)、投餌數(shù)據(jù)記錄也會(huì)顯示在界面。計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接受GPRS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，經(jīng)過管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)的分析再進(jìn)行投餌情況的判定，投餌決定再由計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)通過通信電路上的無線通信模塊得到控制命令，單片機(jī)內(nèi)部程序?qū)γ钸M(jìn)行解碼分析，再對(duì)各個(gè)電機(jī)發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令。電機(jī)的控制電路接在單片機(jī)的I/O接口上，電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制指令經(jīng)I/O接口輸出給電機(jī)控制電路，電機(jī)控制電路對(duì)指令信號(hào)放大和轉(zhuǎn)化再傳輸給各個(gè)電機(jī)，使電機(jī)可以按照要求運(yùn)動(dòng)進(jìn)行投餌。這樣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送和接收，計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制投餌。操作人員在陸上的控制室也可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)參數(shù)，通過控制軟件的界面手動(dòng)設(shè)置投餌量和時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行投餌操作。

圖2 自動(dòng)投餌機(jī)控制系統(tǒng)框圖

3 硬件介紹

自動(dòng)投餌機(jī)控制電路圖如圖3所示，AT89C52單片機(jī)作為投餌控制器，內(nèi)部存有控制程序。對(duì)單片機(jī)的I/O口進(jìn)行擴(kuò)展，利用8255A可編程并行接口對(duì)I/O口進(jìn)行擴(kuò)展，8255A芯片的控制端口和單片機(jī)連接。8255A芯片的控制端口包括、A0、A1，其中個(gè)端口低電平有效。芯片片選信號(hào)，當(dāng)輸入引腳為地點(diǎn)平時(shí)表示8255A芯片被選中，允許8255A與單片機(jī)進(jìn)行通訊否則無法做數(shù)據(jù)傳輸；分別代表芯片的讀信號(hào)線和寫入信號(hào)線，兩個(gè)引腳在輸入為低跳變沿時(shí)且CS=0時(shí)允許8255A通過數(shù)據(jù)線和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；A0、A1是8255A的地址選擇線，用來選擇8255A的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。A0、A1、分別和單片機(jī)的P2.5、P2.6、P2.7、連接。RE?SET復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端處于高電平時(shí)，所有內(nèi)部寄存器被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。D0—D7是數(shù)據(jù)總線，是8255A和單片機(jī)數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行輸入輸出指令時(shí)，通過它實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作。控制字和狀態(tài)信息也是通過數(shù)據(jù)總線傳送的。8255A還有3個(gè)輸入輸出口PA、PB、PC，使用PA口和PB口作為輸入輸出端口和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制口連接。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用兩相混合式，控制信號(hào)輸入接口包括脈沖控制信號(hào)PUL+、PUL-，方向信號(hào)DIR+、DIR-，使能信號(hào)ENBL+、ENBL-。PUL+、DIR+、ENBL+接在+5V電壓，PUL-、DIR-、ENBL-分別接PA0、PA1、PA2。PA0輸出脈沖控制信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，每發(fā)射一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，改變PA0輸出脈沖的發(fā)送頻率可以改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)精確控制餌料的投放；PA1輸出方向控制信號(hào)，PA1輸出的高低電平可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，為保證電機(jī)可靠換向，方向信號(hào)先于脈沖信號(hào)至少5μs建立；PA2輸出使能信號(hào)，ENBL-的輸入信號(hào)用于使能或禁止，ENBL-接低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)器將切斷電機(jī)各相的電流是電機(jī)處于自由狀態(tài)，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)脈沖不被響應(yīng)，接高電平時(shí)步進(jìn)電機(jī)可按程序運(yùn)轉(zhuǎn)，使能信號(hào)提前方向控制信號(hào)至少5 μs。步進(jìn)電機(jī)的A相、B相線圈和驅(qū)動(dòng)器相對(duì)應(yīng)的接口連接。驅(qū)動(dòng)器的八位撥碼開關(guān)可以設(shè)定細(xì)分精度、動(dòng)態(tài)電流、靜止半流，設(shè)定細(xì)分步數(shù)可以提高步距均勻度，較少振動(dòng)，完成精確投餌的要求。直流電機(jī)選用無刷直流電機(jī)配合無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，利用PWM脈寬調(diào)速，控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)投餌機(jī)運(yùn)動(dòng)快慢的控制和餌料拋撒半徑的控制。無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)接在PB口上包括緊急制動(dòng)IN3、方向信號(hào)IN2、調(diào)速信號(hào)IN1。無刷直流電機(jī)的霍爾信號(hào)線和驅(qū)動(dòng)器的霍爾信號(hào)輸入接口連接，用于檢測轉(zhuǎn)子的位置和方向，電機(jī)的3個(gè)相線U、V、W和驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)相線接口連接三相線連接電機(jī)內(nèi)部定子線圈，利用脈沖寬度的調(diào)制控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率從而改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

圖3 自動(dòng)投餌機(jī)控制系統(tǒng)電路圖

4 控制程序和通信設(shè)計(jì)

4.1 計(jì)算機(jī)控制端程序設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制軟件使用VB語言設(shè)計(jì)和編寫，控制軟件可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制和監(jiān)測網(wǎng)箱內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)。界面設(shè)計(jì)簡潔直觀便于用戶直接監(jiān)控，界面的數(shù)據(jù)監(jiān)測包括水速測量顯示，溶解氧量顯示，PH值顯示等數(shù)據(jù)顯示界面以及自動(dòng)投餌機(jī)位置顯示。控制軟件有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種工作方式。采用手動(dòng)控制，用戶可以通過“前進(jìn)”、“后退”按鈕控制行走直流電機(jī)在導(dǎo)軌上的位置；通過“倉門開放”按鈕控制餌料倉門的開放程度；通過轉(zhuǎn)速的大小調(diào)節(jié)選擇按鈕控制餌料拋撒電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制餌料拋撒半徑。

采用自動(dòng)控制工作方式，控制軟件對(duì)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，通過內(nèi)部的算法做出相應(yīng)的操作指令，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊送達(dá)單片機(jī)接收端。單片機(jī)對(duì)指令解碼后，調(diào)用程序內(nèi)部的數(shù)據(jù)指令表進(jìn)行自動(dòng)投餌操作，單片機(jī)控制程序流程圖如圖4所示。同時(shí)將投餌結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)控制界面。

圖4 單片機(jī)控制程序流程圖

4.2 通信設(shè)計(jì)

在自動(dòng)投餌控制系統(tǒng)中，通信是連接計(jì)算機(jī)控制端和單片機(jī)控制端，以及監(jiān)測設(shè)備和計(jì)算機(jī)控制端的橋梁。通信的可靠性是保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行的前提條件。

由于控制室和養(yǎng)殖網(wǎng)箱的距離較遠(yuǎn)，鋪設(shè)通信電纜不方便，可靠性較低而且會(huì)增加成本投入，因此選用無線通信硬件。近年來，無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，傳輸速率的大幅度提高和傳輸容量的擴(kuò)大可以保證通信的可靠性和穩(wěn)定性。通信的設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)控制端利用VB中的MSCOMM通信控件編寫通信協(xié)議，利用GPRS無線通信模塊傳輸數(shù)據(jù)和控制指令。投餌機(jī)的單片機(jī)和接受通信模塊相連，實(shí)現(xiàn)控制指令的穩(wěn)定接收，單片機(jī)再做出對(duì)應(yīng)的操作。環(huán)境堅(jiān)持測數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接收端。通信系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行為自動(dòng)投餌系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供保證，實(shí)現(xiàn)人員的遠(yuǎn)程控制和操作，大大降低人員的工作量，還能做到科學(xué)管理。

5 結(jié)束語

自動(dòng)投餌機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合計(jì)算機(jī)的人機(jī)控制界面和單片機(jī)作為控制機(jī)構(gòu)，通過無線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，操作人員可以在陸上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，投餌過程中可以對(duì)計(jì)算機(jī)控制界面的參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)定，觀測投餌機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理投放餌料。該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)提高網(wǎng)箱養(yǎng)殖精確投餌操作和遠(yuǎn)程控制的能力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)網(wǎng)箱養(yǎng)殖配套設(shè)施的研制和自動(dòng)化水平起到積極作用。