基于無線遠程控制的自動化水產養殖投食設備設計

時正亞 趙俊 黃春香 夏利玲

摘 要：在當前高密度養殖的情況下，投食機周圍由于魚群大量聚集，排泄物急劇增多，導致區域水域的溶解氧量驟然下降，水質的pH、氨氮、亞硝酸鹽指標發生異常，誘發魚兒的生理性缺氧，極易患病，甚至存在翻塘等風險。為了解決這些問題，本文開發設計出一種具有自行游走功能的水產養殖投食設備，實現水產養殖投料操作的自動化和精細化，提高水產品的養殖效率，降低養殖風險。

關鍵詞：遠程控制;自行游走;水產養殖;投食設備

中圖分類號：S969.31文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0013-03

Abstract： In the current situation of high-density aquaculture， due to a large number of fish swarms around the feeding machine， the excreta increases sharply， leading to the sudden decline of dissolved oxygen in regional waters， abnormal indicators of pH， ammonia nitrogen and nitrite of water quality， which induce physiological hypoxia of fish， and are prone to disease， and even have the risk of turning over the pond. In order to solve these problems， this paper developed and designed a kind of aquaculture feeding equipment with self-propelled function， realized the automation and refinement of aquaculture feeding operation， improved the aquaculture efficiency and reduced the aquaculture risk.

Keywords： remote control;self walking; aquaculture;feeding equipment

水產養殖是人為控制下繁殖、培育和收獲水生動植物的生產活動[1]。目前，高密度的養殖情況下，投食機周圍由于魚群大量聚集，排泄物急劇增多，導致區域水域的溶解氧量驟然下降，水質的pH、氨氮、亞硝酸鹽指標也發生異常，誘發魚兒的生理性缺氧，經常浮頭，不但使得魚生長受阻，極易患病，更有甚者會導致魚群死亡。

現有的魚塘投食機通常只能固定在湖面某一位置，投放面積有限，且由于位置固定不能自行游走，導致投食機周邊聚滿了魚群，魚兒發生擁擠、堆垛，尤其在悶熱的夏天，極易發生“翻塘”的風險[2]。因此，設計一種具有自行游走功能的水產養殖投食設備，實現水產養殖投料操作的自動化和精細化尤為必要[3]。

1 自動化水產養殖投食設備構成與作業原理

無線遠程控制的自動化水產養殖投食設備由岸上儲料送料裝置和移動投料浮臺兩部分構成，并在儲料送料裝置部分配置了自動稱重功能，提供特定數量的餌料，以實現精細喂養。其中，移動投料浮臺結構如圖1所示。

從圖1可知，移動投料浮臺由浮力氣囊、投食筒、出氣風機、電源、氣源、傳動機構、噴射管、加氧管、氧濃度傳感器導管、噴氣頭、氧濃度傳感器、支架、換向閥、緊固件、錐形分料器、連接管、轉向電機等組成。在投食筒的筒壁上設有進料口，頂部設有出氣口，底部設有投料管，內部設有出氣管。其中，進料口沿投食筒壁的切線方向設置，使空氣和餌料在投食筒內沿螺旋線向下流動。當風機運行使投食筒內產生負壓時，餌料連同空氣一起由進料口吸入投食筒內，并在投食筒內沿螺旋線下降，餌料受到重力作用而落下，并通過投食管投放到水中，空氣則在出氣管的底部轉向而向上流動由出氣口排出。為了實現投食移動浮臺在水面的移動和轉向，噴射管底部伸入水中并向一側延伸，氣源輸出的氣體能沿噴射管底部向外噴出，從而產生推進力驅動移動投料浮臺在水面移動。轉向電機通過傳動機構驅動安裝于移動浮臺中央的噴射管，使其繞自身軸線旋轉，改變噴射管底部延伸部分的方向，以控制移動投料浮臺的轉向。

由于在投放餌料的過程中會不可避免地出現魚群聚集的情況，因此會造成水體局部氧氣濃度降低。為了避免情況惡化而造成魚群缺氧，沿移動浮臺周向均勻設置4個垂入水中的氧濃度傳感器，當某個氧濃度傳感器檢測到此處的氧濃度過低時，由換向閥實現氣路切換，空氣由加氧管進入水中實現氧氣補充。加氧管底部的噴氣頭有大量孔眼，大大降低了出氣流速，避免了流速對魚群造成的傷害。

2 自動化水產養殖投食設備控制系統設計

自動化水產養殖投食設備控制系統如圖2所示。從圖2可知，自動化水產養殖投食設備控制系統的主站由PLC、無線通信模塊、PC機、TP700Comfort觸摸屏（選配）、動載稱重模塊（儲料送料裝置處配置）等部分組成。無線通信模塊采用內嵌TCP/IP協議的工業級GPRS-DTU，型號為WG-8010[4]。為降低設計成本，PLC選用S7-200系列中的CPU224XP，PC機裝載組態王軟件。投食移動浮臺從站由CPU224XP、無線通信模塊GPRS-DTU、Y502-A濃氧度和溫度傳感器、浮臺轉向步進電機驅動模塊、氣源泵變頻驅動模塊等組成。

無線通信模塊WG-8010通過RS232/485數據接口連接PLC，按設定模式自動執行預設AT指令，完成主站與投食移動浮臺從站之間的通信，將主站的轉向調節角度數據、濃氧度設置值和預警值、溫度設置值和預警值、浮臺移動啟停指令等數據分發給各浮臺，并接收各浮臺的濃氧度與溫度測量值，實現數據的全透明傳輸。采用MM420變頻器來控制氣源泵的轉速。當浮臺處于移動工作狀態時，氣源泵處于高頻運行狀態，以便噴射管獲得較高氣壓，保證浮臺的移動效果;浮臺處于投食狀態時，系統根據濃氧度實際測量值，采用PID算法調整變頻器輸出頻率，使加氧管里的加氧量及時可調。移動浮臺步進轉向電機型號為3S57Q-04079，3M458驅動器驅動噴射管繞浮臺軸心0°～360°可調，理論細分可達3600/4 000，實際聯調達3600/2 000，滿足浮臺的轉向需要。

投食移動浮臺從站由主程序、定時通信中斷子程序、濃氧度PID自動調節子程序、移動驅動子程序等組成。其中，主程序流程如圖3所示;中斷通信子程序完成從主站讀取預設數據（預設移動量、預設濃氧度、濃氧度極限值、轉角設置值）。

3 結語

本文對常規水產養殖投食設備進行了結構優化設計，并引入無線傳感技術實時監控投食水域的濃氧度，利用浮臺步進轉向電機和氣源電磁閥組的控制實現投食浮臺的自行移動，解決了高密度養殖情況下投食機周圍由于魚群的大量聚集，排泄物急劇增多，溶解氧量驟然下降，魚兒缺氧“浮頭”等問題，降低了農戶的養殖風險。

參考文獻：

[1]紀然然，陳曙光，彭晶晶，等.物聯網技術在魚類養殖環境監控方面的應用[J].農業與技術，2015（6）：184-186，223.

[2]劉雨青，李志浩，曹守啟，等.基于模糊控制的水產養殖環境智能監控系統設計[J].漁業現代化，2020（2）：25-32.

[3]張仁蜜.智能水產養殖管理系統中的物聯網關鍵技術研究[J].物聯網技術，2020（2）：99-100.

[4]吳建伸，曾慶源，歐鈴娥.“互聯網+水產養殖”系統設計[J].通訊世界，2019（2）：39-40.