無線遙控太陽能投餌機研制與應(yīng)用

孫廣明 SUN Guang-ming；付志茹 FU Zhi-ru；謝剛 XIE Gang；楊華 YANG Hua；李文雯 LI Wen-wen；張韋 ZHANG Wei；吳會民 WU Hui-min；苗家祿 MIAO Jia-lu；張德喜 ZHANG De-xi；吳建松 WU Jian-song；杜紅梅 DU Hong-mei

（①天津市水產(chǎn)研究所，天津 300221；②天津市寧河縣畜牧水產(chǎn)局，天津 301500）

（①Tianjin Fisheries Research Institute，Tianjin 300221，China；②Animal Husbandry and Fisheries Bureau of Ninghe，Tianjin，Tianjin 301500，China）

0 概述

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，養(yǎng)殖設(shè)施化水平的不斷提高，投餌機已經(jīng)成為養(yǎng)殖生產(chǎn)中必不可少的重要設(shè)備之一。為了適應(yīng)各種不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)方式，尤其是當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖向節(jié)能、環(huán)保、精準、高效的生產(chǎn)方式發(fā)展的方向，各類型投餌機不斷涌現(xiàn)以滿足生產(chǎn)需求。研制適用的投餌設(shè)備不但可以節(jié)省勞動力成本，還可以做到精準投喂節(jié)約飼料，保護水質(zhì)促進養(yǎng)殖魚類的健康生長。如何選用投餌設(shè)備是實現(xiàn)精準、高效、健康、環(huán)保養(yǎng)殖生產(chǎn)目標的十分重要的措施之一。為此，在開展淡水池塘設(shè)施化高效健康養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)試驗與生產(chǎn)中，我們研制了無線遙控太陽能投餌機并進行了實際應(yīng)用，取得了很好的效果。

1 工況與功能

1.1 工況條件 在淡水池塘設(shè)施化高效健康養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)試驗與生產(chǎn)系統(tǒng)中，采用了組合單元漁箱集約化養(yǎng)殖方式。每單元漁箱上口面積為3m×3m的正方形結(jié)構(gòu)，整個設(shè)施由12組生產(chǎn)單元組合而成。

按照組合式養(yǎng)殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求，每組養(yǎng)殖生產(chǎn)單元配備一臺懸掛式自動投餌機，投餌機安裝在懸臂式吊桿的頂端，其出料口位于養(yǎng)漁箱中央的上方。事先由人工向投餌機料桶添加飼料，工作時按照事先設(shè)定的時間間隔進行自動投撒。單組生產(chǎn)設(shè)施結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 功能與設(shè)置

1.2.1 投餌機結(jié)構(gòu) 投餌機采用懸掛式桶形結(jié)構(gòu)，主要由桶體、桶蓋、吊桶掛鉤、電動撥料器組成。料桶內(nèi)徑298mm，有效容積大于23L，可加裝直徑3mm顆粒飼料15kg、直徑6mm膨化飼料9.5kg。將投飼機設(shè)計為獨立結(jié)構(gòu)，投料桶懸吊在吊桿上，吊桿插入操作平臺固定支架的套管中即可使用。添加飼料時可將吊桿旋轉(zhuǎn)到漁箱邊緣，加滿飼料后再將吊桿旋轉(zhuǎn)歸位固定非常方便。電動撥料器使用直流12V直流減速電機，我們對電機輸出軸轉(zhuǎn)速為30r/min和50r/min兩種機型進行了試驗。輸出軸直接驅(qū)動撥料轉(zhuǎn)輪，結(jié)構(gòu)簡單動作可靠。

圖1 單組生產(chǎn)設(shè)施示意圖

1.2.2 太陽能電池組件 采用010-12型太陽能電池組件，為多晶硅太陽光電池，光電轉(zhuǎn)換效率較高，工作性能穩(wěn)定。外形尺寸為350mm×290mm×18mm。額定最大功率10W，在Pmax時電流、電壓分別為0.57A、17.6V，短路電流0.62A，開路電壓22.2V。太陽能光電池組建通過支架安裝在鍍鋅鐵管上，再用卡扣將鐵管與操作平臺的欄桿固定在一起。

1.2.3 電器控制箱 在電器控制箱內(nèi)安裝的電器有：一是太陽能電源控制系統(tǒng)，貯存太陽能電池發(fā)送的電能供給投料機、照明燈和箱內(nèi)電器。主要由LS0512R型太陽能電源控制器、鉛酸膠體蓄電池組成；二是自動投料時間控制系統(tǒng)，由若干時間控制繼電器與自鎖繼電器組成；三是無線接收控制器，采用TAD-T70型無線遙控開關(guān)，主要實現(xiàn)無線遙控投餌機的開啟與關(guān)閉，照明燈的開啟與關(guān)閉；控制箱備有手動按鈕開關(guān)，需要時可以對任意單元進行單獨手動啟閉。控制箱安裝在欄桿上與太陽能電池支撐鍍鋅管相固定。

2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 最佳太陽輻射 首先確定太陽電池板的方位角。最佳方式是跟蹤太陽，使太陽電池板表面始終與太陽光垂直。對于固定安裝的太陽電池板在位于北半球的我國，方位角一般按零度設(shè)置。但是在±20°之內(nèi)，輸出功率不會降低很多。對于開展水產(chǎn)養(yǎng)殖主要在5月下旬至10月上旬期間使用，因此可以設(shè)置在零度或稍許偏東方向。

接下來確定太陽電池板的安裝傾角。入射陽光應(yīng)垂直照射，因此太陽電池板應(yīng)傾斜安裝。為了使太陽電池板更好地接受太陽輻射，應(yīng)將電池板平面與入射陽光垂直，可通過太陽板安裝傾角來實現(xiàn)。但是，在同一地點或一年之內(nèi)的不同季節(jié)傾角均有較大的變化，因此對于非跟蹤電池板來說應(yīng)進行優(yōu)化，選用最佳傾角。天津靜海縣緯度為38.93°，按照資料推薦值，太陽電池板的傾角應(yīng)為緯度傾角再加 5°～10°。

太陽總輻射量換算。由于太陽能電池板選擇了安裝角，電池板的受光面已經(jīng)不再是水平面。由此產(chǎn)生的偏差必須選擇最佳輻射系數(shù)Kop進行修正，根據(jù)資料天津地區(qū)的Kop選取值為1.0692左右。

2.2 應(yīng)用實例 依據(jù)上述設(shè)計原則，我們制作了無線遙控太陽能投餌機，并進行了具體的試驗應(yīng)用。

①根據(jù)整個系統(tǒng)的用電總負荷，結(jié)合具體生產(chǎn)試驗季節(jié)狀況，經(jīng)計算分析我們選擇額定最大功率10W的010-12型太陽能電池組件，為整個系統(tǒng)供電。太陽能電池組件在Pmax時電流、電壓分別為0.57A、17.6V。

②根據(jù)系統(tǒng)用電電流的負荷量，選用LS0512R型太陽能電源控制器，額定電壓12V，額定充放電電流5A。控制器具有充電狀態(tài)指示、蓄電池狀態(tài)指示、負載狀態(tài)指示、負載工作模式的設(shè)置以及過載、短路、蓄電池極性接反、溫度傳感器與高壓涌浪保護功能。

③根據(jù)投餌系統(tǒng)電器放電負荷情況，選用7Ah太陽能專用膠體鉛酸蓄電池。

④按照圖2所示的接線順序，依次連接無誤后系統(tǒng)就可以正常工作。

圖2 太陽能發(fā)電系統(tǒng)接線示意圖

3 電氣控制箱設(shè)計

3.1 功能設(shè)定

3.1.1 定時定量 按照養(yǎng)殖魚類飼養(yǎng)投喂要求，在一天內(nèi)要投喂數(shù)次，每次投喂一定的時間，在投喂期間要求間斷下料，以求最佳的投料效果。實現(xiàn)間斷供料功能采用數(shù)字式雙延時繼電器，每次投料時長采用普通時間繼電器控制。操作人員按照投料方案，設(shè)定雙延時繼電器的下料與停止時間；設(shè)定每次投料的總時間。

3.1.2 照明電路 照明電路由LED節(jié)能燈、單延時繼電器與自鎖繼電器組成，路燈延時的時長按操作人員需要設(shè)定，路燈開啟后到時自動關(guān)閉，以便節(jié)約蓄電池電能。

3.1.3 無線遙控 選用4路非鎖存TAD-T70型無線遙控開關(guān)，采用數(shù)碼遙控的方式，通過繼電器的常開/常閉觸點控制電路中的通斷來控制四個獨立的電路。無線遙控采用編碼的方式，避免相互之間的干擾，能夠非常容易地對設(shè)備動作進行控制。工作電壓：DC12V，工作頻率：315MHz，遙控距離：空地?zé)o干擾300米，觸點參數(shù)為，控制220V負載功率參數(shù)：每路阻性負載1000W，感性負載400W，控制12V負載功率參數(shù)：每路阻性負載80W，感性負載40W。可利用2路開關(guān)控制投餌操作，利用另2路開關(guān)控制照明電路，此款遙控器適用于本系統(tǒng)的電器控制。

3.1.4 手動控制 為了方便操作，控制電路中設(shè)置了手動控制投料啟閉按鈕T1、T2，操作人員可根據(jù)實際情況隨時控制投料操作。

3.2 電路與控制

3.2.1 投餌與照明電路 投餌與照明控制電路見圖3，電路中A、B、C、D是無線遙控器的4個通道控制繼電器，整個控制電路由兩部分組成。

圖3 投餌照明系統(tǒng)控制器線路圖

左半部為投餌機控制電路，由無線開關(guān)的A、B通道控制投餌機的開啟與停止。在進行投餌操作過程中若需要臨時停機或在停止狀態(tài)時需要開機，按下T2或T1即可實現(xiàn)手動控制。

右半部為照明控制電路，由無線開關(guān)的C、D通道控制照明燈的開啟與停止。照明采用LED節(jié)能燈，電壓12V功率3W。由于安裝定時器，照明燈可以自動關(guān)閉，因此十分省電。

3.2.2 系統(tǒng)電路組成與編碼控制 將圖2的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與圖3投餌照明控制系統(tǒng)組合而成為太陽能投餌機整體電路，圖4為無線遙控太陽能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 無線遙控太陽能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)電路中的無線發(fā)射與無線接收采用PT2262/2272 CMOS工藝制造的低功耗通用編解碼電路，三態(tài)地址端管腳（懸空，接高電平，接低電平）任意組合可提供531441地址碼。在通常使用中，一般采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼，這時編碼電路PT2262和解碼PT2272的第1～8腳為地址設(shè)定腳，有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)。3的8次方為6561，所以地址編碼不重復(fù)度為6561組，只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用。這類產(chǎn)品一般都預(yù)留地址編碼區(qū)，采用焊錫搭焊的方式來選擇：懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，出廠是一般都懸空，我們按照自己的需要設(shè)定地址碼，以保證可靠的控制。

可以看到在圖4中無線發(fā)射與接收器中標有LBH字樣三排方格為編碼區(qū)。最左邊有1字樣的是芯片的第一腳，最上面的一排焊盤上標有L字樣，表示和電源地連通，最下面的一排焊盤上標有H字樣，表示和正電源連通。設(shè)置地址碼的原則是：同一個系統(tǒng)地址碼必須一致；不同的系統(tǒng)可以依靠不同的地址碼加以區(qū)分。至于設(shè)置什么樣的地址碼要以投餌機控制的實際需要自行設(shè)置。

4 懸掛式投餌機

4.1 形式與結(jié)構(gòu) 投餌機采用圓桶型結(jié)構(gòu)，上方加蓋防止雨水淋濕餌料。桶壁上方相對焊接一對耳孔，懸掛時安裝吊環(huán)使用。桶底為漏斗形，漏斗底部安裝一活動插板，調(diào)節(jié)插板的開啟度用于調(diào)節(jié)漏料量。插板下部有一法蘭，用以安裝電動撥料器。在桶形投餌機的下方安裝一防護罩，具體結(jié)構(gòu)見圖5。整個試驗養(yǎng)殖系統(tǒng)由12套無線遙控太陽能餌料機組成。

圖5 懸掛式投餌機結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 電動撥料器 電動撥料器是定量投料的控制裝置，是由直流減速電機低速輸出軸，直接驅(qū)動撥料轉(zhuǎn)輪。電機轉(zhuǎn)動時帶動撥料轉(zhuǎn)輪，將餌料由料桶的下料口撥出，依靠重力餌料自動落入水面。減速電機電壓為直流12V，轉(zhuǎn)速可選用30r/min或50r/min。電機轉(zhuǎn)速確定后，需要進行單位時間下料量的檢測，將檢測的多組數(shù)據(jù)均值后制成表格，作為投料量時間設(shè)定的參考數(shù)據(jù)。在實際應(yīng)用中，要通過設(shè)定電機轉(zhuǎn)動與停止時間來準確控制餌料投喂量。

4.3 旋轉(zhuǎn)式吊桿 吊桿是投餌機的懸掛機構(gòu)，采用了可旋轉(zhuǎn)懸臂式結(jié)構(gòu)。旋臂頂端的吊環(huán)用于懸掛吊桶式投餌機，其位置處于養(yǎng)漁箱中央的垂直上方，應(yīng)保證餌料落在漁箱中央。旋臂吊桿的垂直部分，插入固定在操作平臺的支架套管中，懸掛投餌機的旋臂吊桿可以支架套管為中心自由轉(zhuǎn)動。將其轉(zhuǎn)到操作平臺邊緣時進行添加飼料，而后轉(zhuǎn)回原位并將支架套管的定位銷釘插入，使之保持投料的固定位置。

5 應(yīng)用效果

5.1 無線遙控太陽能投餌機，是“淡水池塘設(shè)施化高效健康養(yǎng)殖系統(tǒng)”的重要設(shè)施。經(jīng)過生產(chǎn)上試驗應(yīng)用，做到了自動控制準確投餌，使得漁箱中養(yǎng)殖的鯉魚、羅非魚、莫荷羅非魚種等生長良好。可以做到每日投餌5～6次，節(jié)省了人工勞力，提高了工作效率，由于增加了投餌次數(shù)因此提高了餌料利用率，獲得每畝平均產(chǎn)量3898.3kg的良好效果。

5.2 采用了無線遙控與手動控制相結(jié)合控制裝置，使得投餌操作變得十分便捷，操作人員可以遠距離進行投餌操作，只要操作人員按一下手持遙控器的按鈕，投餌機便可以自動工作，當(dāng)達到設(shè)定時間后投餌自動停止。在餌料投喂工程中操作人員可以仔細巡視觀察每個養(yǎng)漁箱內(nèi)魚的攝食情況，如果需要可以隨時進行手動停止或開啟任意投餌機組，可滿足精細喂養(yǎng)的需要。

5.3 在投餌時間間隔控制中，采用了DH48S-2Z型數(shù)字雙延時時間繼電器，延時時間在0～99h之間任意可調(diào)，時間控制精度可達0.01s。由于可以精確控制下料與停止時間，因此容易做到按照魚的攝食需求，準確地設(shè)定控制單次下料量與下料間隔時間，即易于實現(xiàn)魚的精準喂養(yǎng)，同時還可以避免餌料的浪費。

5.4 供電系統(tǒng)采用太陽能光伏發(fā)電，選用多晶硅太陽光電池，光電轉(zhuǎn)換效率較高工作性能穩(wěn)定，額定最大功率10W；選用12V太陽能專用7Ah膠體鉛酸蓄電池儲存電能。經(jīng)過一個生產(chǎn)周期的應(yīng)用，系統(tǒng)供電正常。在生產(chǎn)過程中雖然有時遇上陰雨天氣，但是蓄電池供電始終充足，不但做到白天正常投餌，還可以滿足晚間的正常照明。

5.5 整個用電系統(tǒng)采用12V直流供電，由于全部電器均在低壓條件下運行，極大地提高了用電的安全性。由于每一組養(yǎng)殖生產(chǎn)單元都由獨立的太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)獨立供電，極大地提高了設(shè)施運行的可靠性。每一組投餌設(shè)備相互獨立又可以做到統(tǒng)一控制，由于采用了無線遙控裝置，因此使得系統(tǒng)變得更加簡單，應(yīng)用更加靈活，同時節(jié)省了大量的電線電纜。

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