基于GSM技術(shù)的深水網(wǎng)箱自動(dòng)投料系統(tǒng)的構(gòu)建

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 胡 敏 黃旭偉

1.引言

我國豐富的海洋生物資源和多樣的生態(tài)環(huán)境類型為我國漁業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。但近年來我國水域污染導(dǎo)致海洋生態(tài)環(huán)境不斷惡化，水域生產(chǎn)力下降；過度捕撈造成漁業(yè)資源衰退，近海漁業(yè)資源日益衰退。為了提高養(yǎng)魚的質(zhì)量和擴(kuò)展養(yǎng)殖高檔魚類的品種，減少對近海海域的污染，發(fā)展網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)成為我國漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展發(fā)展的重要的途徑之一。

我國自70年代開始發(fā)展海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖，經(jīng)過30年的發(fā)展，網(wǎng)箱總數(shù)量已經(jīng)超過100萬只。95年開始，國家和地方各級(jí)政府在網(wǎng)箱的材料、結(jié)構(gòu)和抗風(fēng)浪能力等方面進(jìn)行了一定投入，不少科研機(jī)構(gòu)開展了一些基礎(chǔ)和應(yīng)用性研究，但與歐美、日本等先進(jìn)國家相比，將海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖作為系統(tǒng)工程來進(jìn)行開發(fā)研究，仍有較大差距，適用于網(wǎng)箱特別是深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的投餌機(jī)寥寥無幾。為此，深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖用投餌機(jī)的研制將填補(bǔ)國內(nèi)空白，而設(shè)計(jì)一種自動(dòng)投料裝置，以減輕人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約投料成本，在促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展和海洋環(huán)境的保護(hù)都具有重大的社會(huì)效益。

2.基于GSM技術(shù)的深水網(wǎng)箱自動(dòng)投料系統(tǒng)框架構(gòu)建

深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖具有離岸、水深、海域開闊的優(yōu)勢，為躲避風(fēng)浪襲擊，多采用下潛方式，這與傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式相比，在投喂方式、網(wǎng)箱管理等多方面提出了新的挑戰(zhàn)。

基于遠(yuǎn)程控制技術(shù)的深水網(wǎng)箱自動(dòng)投料系統(tǒng)主要由主控器和各深水網(wǎng)箱自動(dòng)投料機(jī)兩大部分組成，如圖1所示。主控器和深水網(wǎng)箱自動(dòng)投料機(jī)之間具有雙向通信功能。

主控器具有對各網(wǎng)箱投料機(jī)的主控和信息采集功能，能控制各網(wǎng)箱的投料機(jī)的啟動(dòng)、停止和每天投料次數(shù)、時(shí)間、投料速度的設(shè)置，并能收集各網(wǎng)箱實(shí)際運(yùn)行信息的采集，以實(shí)時(shí)對各網(wǎng)箱進(jìn)行優(yōu)化控制。

深水網(wǎng)箱自動(dòng)投料系統(tǒng)根據(jù)主控器設(shè)置的命令，定時(shí)、定速自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)投料，并采集實(shí)際運(yùn)行情況及時(shí)告知主控器。

本系統(tǒng)的硬件部分主要包括主控器和自動(dòng)投料料兩大部分。主控器包括主控單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主控通信部分的設(shè)計(jì)等；自動(dòng)投料機(jī)包括投料器機(jī)械部分、投料機(jī)主控器、投料機(jī)通信部分以及投料電機(jī)控制器等的。

3.深水網(wǎng)箱自動(dòng)投料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的構(gòu)建關(guān)鍵是主控器與深水網(wǎng)箱自動(dòng)投料機(jī)之間的通信模式的選擇，這包括GSM通信模塊的單片機(jī)機(jī)二次開發(fā)、水下投料的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)、投料機(jī)械裝置的密封、網(wǎng)箱運(yùn)行情況和環(huán)境的相關(guān)信息采集等相關(guān)技術(shù)。

3.1 投料機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)

深水網(wǎng)箱自動(dòng)投餌機(jī)由餌料倉、氣室、投餌器、控制模塊、密封蓋、密封球、內(nèi)部消波器、配重環(huán)組成。餌料倉用于儲(chǔ)存顆粒餌料，氣室主要為投餌機(jī)提供浮力，并提供投餌器布置空間。投餌器位于餌料倉下部，為由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的槳葉式投餌器，轉(zhuǎn)速可通過位于投機(jī)上部的控制模塊中的單片即芯片設(shè)定調(diào)節(jié)。投餌器下端設(shè)有密封球，當(dāng)艙內(nèi)失壓或進(jìn)行添加餌料操作時(shí)，避免海水對箱內(nèi)餌料產(chǎn)生影響。投餌機(jī)頂部采用橢圓形內(nèi)托式密封蓋，通過頂部螺桿加緊密封。

3.2 投料機(jī)的餌料投放方式

目前網(wǎng)箱投料常采用高壓空氣或水作為動(dòng)力通過電動(dòng)振動(dòng)拋灑方式，但噴灑方式會(huì)使餌料粉碎，不利于餌料的利用。另一種是利用電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)槳葉式餌料攪動(dòng)葉片，在餌料的自重和氣壓作用下，餌料自動(dòng)向下投放。這種投料方式比較節(jié)能省力，不易粉碎餌料餌料利用率高，而且出料的速度可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此采用后種投料方式更加適合。

3.3 餌料裝置遠(yuǎn)程控制方案

采用GSM通信的控制方式，它可直接利用GSM通信網(wǎng)絡(luò)，無需自建通信網(wǎng)絡(luò)。控制距離遠(yuǎn)，在只要有GSM信號(hào)的任意地方都可以實(shí)現(xiàn)遙控。方案所圖2所示。為進(jìn)一步簡化設(shè)計(jì)，主控器可直接采用用戶的手機(jī)。此方案存在的問題是；若養(yǎng)殖區(qū)處于GSM的盲區(qū)或信號(hào)較弱，控制方案將失效。

為解決上述問題，在網(wǎng)箱處在海區(qū)無GSM或CDMA手機(jī)通信信號(hào)或信號(hào)較弱時(shí)，采用射頻通信的控制方式進(jìn)行遙控。方案如圖3所示，通信方便靈活。

3.4 投餌機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)

投餌控制裝置硬件由通信模塊、含EEPROM的單片機(jī)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、D/A轉(zhuǎn)換器、無刷電機(jī)控制器、無刷電機(jī)、LCD等器件組成，如圖4所示，所有外圍芯片都選用串行芯片。

（1）通信模塊：GSM通信模塊是實(shí)現(xiàn)岸上手機(jī)主控端與投餌控制裝置之間命令和信息傳送的橋梁。

（2）實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊：選擇使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路DS1302，是DALLAS公司的一種具有涓細(xì)電流充電能力的電路，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。

（3）D/A模塊：為實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速，在單片機(jī)控制的自動(dòng)投料儀中，須把不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓，才能達(dá)到自動(dòng)調(diào)速的作用。選用了12位串行的D/A芯片TLV5616.

（4）顯示器模塊：采用LCD顯示器，與傳統(tǒng)的陰極射線管（CRT）相比，LCD占用空間小，低功耗，低輻射，無閃爍，降低視覺疲勞。

3.5 投餌機(jī)控制器的主程序的設(shè)計(jì)

投餌機(jī)控制器主要實(shí)現(xiàn)的是隨時(shí)接收系統(tǒng)主控器發(fā)來的設(shè)置和控制命令，對此進(jìn)行譯碼、存儲(chǔ)并按投料機(jī)主控器的設(shè)置來實(shí)時(shí)控制投料機(jī)的定時(shí)、定量的投料或?qū)⑼读蠙C(jī)的環(huán)境和運(yùn)行信息回發(fā)給主控器。為此主控器的主程序包括了控制器初始化、通信模塊初始化、對接收來自主控器的命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（包括對命令和密碼的識(shí)別、出錯(cuò)告知、命令的存取和對各不同命令的執(zhí)行處理）、對內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘的不斷更新。

4.結(jié)論

將GSM通信技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)箱投料機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，控制可靠實(shí)用。基于GSM技術(shù)的深水網(wǎng)箱自動(dòng)料裝置基本上實(shí)現(xiàn)深水網(wǎng)箱的水下投料，對每天投料次數(shù)、時(shí)間、投料量在岸上進(jìn)行設(shè)置；每天投料的定時(shí)時(shí)間會(huì)按潮汐而自動(dòng)改變，對深水網(wǎng)箱自動(dòng)投料機(jī)實(shí)現(xiàn)即時(shí)啟停；并可實(shí)時(shí)采集深水網(wǎng)箱自動(dòng)投料機(jī)的相關(guān)信息（如海水溫度，電池電量，實(shí)際投料情況等），這些都間接的為養(yǎng)殖戶提高了收入，產(chǎn)生十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]宋協(xié)法.網(wǎng)箱養(yǎng)殖配套設(shè)備的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].中國海洋大學(xué)博士論文,2006.

[2]郭根喜.深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖裝備技術(shù)前沿進(jìn)展[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2011.

[3]胡喜.基于PLC的深水網(wǎng)箱自動(dòng)投餌系統(tǒng)[J].南方水產(chǎn)科學(xué),2011.

[4]中興通訊NC教育管理中心.GSM移動(dòng)通信技術(shù)原理與應(yīng)用:原理/設(shè)備/仿真實(shí)踐[M].人民郵電出版社,2009.