網箱養殖自動投餌裝置的設計與研究

劉昊 史曉敏 董帥喜 張益鵬

摘?要：網箱養殖業已經成為現代化養殖業的重要發展方向，但是目前國內普遍采用的飼料供給模式仍然是由漁夫進行人工供給，其穩定性較差。本文針對裝置結構、投喂原理等幾個關鍵問題進行了詳細分析，開發出一種可以對魚群、水質等進行監測，并針對不同情況實現自動投喂的深海網箱自動投料裝置。這樣不僅能極大地提升魚苗的產量，還能保證魚苗的安全，這對魚苗的發展和海洋環境的保護都有很大的好處。

關鍵詞：自動控制；深水網箱；水產養殖

中圖分類號：TH122??文獻標識碼：A

Abstract：Cage?aquaculture?has?become?an?important?direction?for?modernized?aquaculture，but?the?current?common?feeding?mode?in?China?relies?on?manual?feeding?by?fishermen，which?suffers?from?poor?stability.In?this?study，we?conducted?a?detailed?analysis?on?key?issues?such?as?device?structure?and?feeding?principles，and?developed?a?deepsea?cage?automatic?feeding?device?that?can?monitor?fish?populations?and?water?quality，and?achieve?automated?feeding?under?different?conditions.This?not?only?greatly?enhances?fish?production?but?also?ensures?the?safety?of?fish?juveniles，benefiting?the?development?of?fish?juveniles?and?the?protection?of?marine?environment.

Keywords：automatic?control;deepsea?cages;aquaculture

隨著網箱養殖業的發展，對飼料的投喂要求越來越高。投喂餌料是水產養殖過程中的重要投資，對養殖魚類的品質、產量等有重大影響。目前，深水網箱養殖主要以人工投喂為主，存在勞動強度高、投喂不均、效率低、餌料量難以控制等問題。飼料浪費會造成水體污染，惡化養殖環境，加劇魚類疾病，增加成本，降低效益。因此，科學合理的餌料投喂技術對養殖效果和生態環境至關重要。

水產養殖中，如何控制飼料投入，實現飼料的可持續發展，是一個重要問題。隨著自動化養殖設備的發展，投喂裝置作為一種重要的養殖設備，越來越受到漁民的重視。為適應不同的養殖方式，市場上發明了各種投餌器。但目前國內普遍使用的自動投餌器存在飼料破損率高、運行穩定性差等問題，無法滿足深水網箱養殖的穩定性和安全性要求。許多西歐國家都實現了高度自動化，例如挪威的深水網箱自動喂食系統，可以監測水質和魚類狀況，實現自動化投喂和遙控操作。我國已有相關政策，支持開發適用的裝備，以實現精準投喂、節省餌料和保護水質等目標，同時節約勞動成本，促進養殖魚類的健康成長。

1?裝置總體結構設計

1.1?總體結構

裝置設備包括浮力底座，其頂部通過調節桿固定有支撐盤。支撐盤的頂部中間位置固定有自動放料結構，而且圍繞該結構固定設置有蓄電池、自動控制箱、氣泵和殘渣過濾結構。此外，浮力底座的頂部還固定有飼料殘渣收集結構。支撐盤的底部通過螺栓固定有出料結構。

飼料殘渣收集結構包括浮力底座、料渣收集套筒、支撐桿、攔截網、導氣管、浮力橡膠球囊、連通氣管、輸氣管和抽料管。其中，料渣收集套筒的底部連接抽料管，頂部連接若干支撐桿，支撐桿上固定有攔截網，相鄰的支撐桿之間通過連通氣管相連，其中一個連通氣管上固定有輸氣管，輸氣管通過氣泵與外界相連，導氣管連接浮力橡膠球囊，浮力底座連接殘渣過濾結構的輸入端。

浮力底座包括外限制框，外限制框頂部通過延伸固定座與料渣收集套筒相配合。外限制框填充了與其內腔配合的錐形橡膠氣囊，并且底端固定有掛鉤。外限制框的外側固定有連接限位耳板，頂部端面固定有底部連接座，與調節桿轉動連接。

自動放料結構包括儲料筒和筒蓋。筒蓋通過電機罩固定在儲料筒頂部，而位于電機罩一側的位置固定有與儲料筒內腔連通的加料斗。

支撐盤頂部的軸心處開設了與排料管配合的通孔。支撐盤頂部固定有電動伸縮桿，該桿通過外側延伸與支撐板固定連接。殘渣過濾結構包括與支撐盤頂部固定連接的殘渣過濾箱。殘渣過濾箱頂部固定有與其內腔連通的抽水泵，并且抽水泵的進水口與抽料管連通。

深水網箱自動投料裝置整體結構如下圖所示。

1.浮力底座；2.調節桿；3.支撐盤；4.自動放料結構；5.蓄電池；6.自動控制箱；7.氣泵；8.殘渣過濾結構；9.飼料殘渣收集結構

總體結構設計圖

1.2?投料原理

目前市場上有三種主要的裝置魚餌投放模式：氣動投放、振動投放和蝸輪蝸桿投放。其中，振動投放的穩定性較差，精度較低，同時由于深海養殖環境的限制，經常更換也不方便；而蝸桿驅動的蝸輪型結構比較復雜，造價昂貴，維修困難。

氣力輸送裝置由動力部分、輸送管道、儲料部分、混合加速部分、氣固分離部分和控制部分組成。動力部分為整個裝置提供動力源，保證物料穩定輸送；輸送管道是物料運輸的載體；儲料部分為裝置提供充足的物料；混合加速部分是裝置的核心之一，是物料與氣流混合輸送的重要保障；氣固分離部分是裝置的核心之一，主要作用是把物料從空氣中分離開，氣固分離設備的優劣對整個裝置的性能有著至關重要的影響；控制部分影響整個裝置的運轉。氣力輸送的參數包括物料輸送量、物料與氣體的占比、氣流速度、風量、管道直徑、輸送的壓力等；氣力輸送的設計主要在于風機的選型、管道尺寸、氣流入口的風速、氣固分離裝置的結構參數、物料與氣流混合的結構設計等。

綜上所述，氣力輸送結構簡單，布置靈活，工作效率較高，保證了物料的清潔干凈，適用管道輸送，應用范圍較廣。

2?監測系統

監測飼料顆粒消耗是科學制定飼料策略的必要依據。通過監測飼料顆粒的消耗情況，可以有效減少飼料的浪費和水污染，實現經濟和生態效益的雙贏。為了進一步提高投喂的精度，需要實時監測水下殘餌并反饋給投餌機控制投料量。然而，水下環境的光線差和干擾對最小進料粒子檢測和水下圖像處理提出了巨大挑戰。因此，需要采用先進的技術手段，如高分辨率攝像頭、圖像處理算法等，來提高水下圖像的清晰度和準確性。只有這樣，才能實現對水下環境的精準監測和控制，從而更好地保護水生生物和水環境的健康。目前，我國水產養殖主體還處于以手工采集信息為主，利用固定的水質傳感器監測為主的傳統模式。但此法需耗費大量的人力、物力、工效，并不能完全覆蓋整個水體，因而難以取得理想的效果。但是，隨著移動互聯網、大數據、云計算和人工智能等技術的不斷發展，我國的水產養殖業面臨著嚴峻的挑戰。因此，有必要對水體進行全方位的立體監測，以更好地認識水體的立體變化特點。為此，本項目擬通過在投喂裝置中設置多種傳感器，實現對水體及魚類狀態的全方位監測。

2.1?傳感器系統

（1）溫度傳感器：溫度傳感器用于監測水溫。合適的水溫對魚類的生長和繁殖至關重要。通過實時監測水溫，可以及時采取措施調節養殖環境，保持適宜的水溫。

（2）溶解氧傳感器：溶解氧傳感器用于測量水中溶解氧的含量。溶解氧是魚類生長所需的關鍵參數，對于維持健康的水質十分重要。通過實時監測溶解氧含量，可以及時調整通氣設備或調節水流量，以確保充足的溶解氧供應。

（3）pH傳感器：pH傳感器用于測量水域的酸堿度。適宜的pH值對魚類的生長、攝食和代謝有重要影響。通過實時監測pH值，可以及時調整酸堿度，維持理想的水質。

（4）氨氮傳感器：氨氮傳感器用于測量水中的氨氮含量。氨氮是飼料殘渣和魚類代謝產物分解的產物，過高的氨氮會對魚類健康造成嚴重影響。通過實時監測氨氮含量，可以及時調整飼料投喂量和水質處理設備，保持適宜的水質。

這些傳感器的選用取決于具體的養殖需求和監測要求。通過實時監測水質參數和環境條件，可以及時發現異常情況，并采取相應的措施進行調整，確保良好的養殖環境和魚類的健康生長。

2.2?視覺識別系統

2.2.1?該系統包括的構件

（1）攝像頭：用于拍攝深海網箱內部的圖像。

（2）圖像處理單元：用于對攝像頭拍攝到的圖像進行處理，提取出感興趣的目標，并將目標的位置和特征信息提取出來。

（3）控制單元：用于接收圖像處理單元提取出來的目標信息，并根據這些信息來控制養殖網箱的運行狀態。

2.2.2?該系統可實現的功能

（1）監測魚類數量和體重：通過對攝像頭拍攝到的圖像進行處理，可以提取出養殖網箱內的魚類數量和體重信息。這些信息可以用于監測魚類的生長情況，以及確定飼料的投放量和時間。

（2）監測水質：通過對攝像頭拍攝到的圖像進行處理，可以提取出水質信息，如水質渾濁度等。這些信息可以用于監測水質狀況，及時發現問題并采取措施。

（3）監測網箱結構：通過對攝像頭拍攝到的圖像進行處理，可以提取出養殖網箱的結構信息，如網箱內部障礙物、網箱外部海洋環境等。這些信息可以用于監測網箱結構狀況，及時發現問題并采取措施。

總之，該視覺傳感器系統可以幫助深海網箱養殖業主更好地監測和控制養殖環境，提高養殖效率和產品質量。

3?自動化控制系統的設計

投餌控制裝置硬件由通信模塊、含EEPROM的單片機，實時時鐘電路、D/A轉換器等結構組成。

（1）通信模塊：隨著技術的進步，無線通信技術已經取得了長足的進步，它能夠有效地解決控制室與養殖網箱之間的通信問題，并且能夠提供更高的可靠性和更長的傳輸時間，從而降低了成本。通過使用VB中的MSCOMM編程語言，我們可以創建一個高效的無線通信系統，它可以將數據和控制指令進行快速、準確的傳輸，并且可以與投餌機的單片機進行有效的交互，從而使得投餌機能夠更好地完成任務。

（2）實時時鐘模塊：選擇準確性高、耗能低的實時時鐘芯片（如DS1302、DS3231），連接電源并提供穩定可靠的電源供應，初始化時鐘芯片的相關參數（如時間、日期、鬧鐘等），為用戶提供友好的界面，使用LCD顯示屏和按鍵等設備來實現用戶界面，讓用戶可以直觀地看到當前時間，并進行設置。

（3）D/A模塊：在這個自動投料儀中，我們選用了一款12位串行的D/A芯片，型號為TLV5616。這款芯片具有高精度、低功耗、低失真等特點，非常適合用于這種需要高精度控制的場合。通過將數字信號輸入TLV5616芯片中，我們可以得到相應的模擬電壓輸出，從而實現對直流電機的自動調速功能。通過使用D/A模塊，我們可以讓自動投料儀更加精準地控制直流電機的轉速。這樣一來，不僅可以提高生產效率，還可以提高產品質量。

4?結論

本研究開發的自動投料設備是專門為深海網箱養殖而設計的。該設備由多個模塊組成，可以實現遠程控制和智能化投喂，從而提高養殖效率。經過多次實驗和優化，該設備已經成功解決了傳統養殖方式中頻繁投喂的問題，并取得了顯著的成果。未來，我們將進一步完善和優化該設備，以便發揮更大的作用，為深海網箱養殖行業的發展做出更大的貢獻。這一設備的研發不僅提高了養殖效率，也為深海網箱養殖行業帶來了更多的便利和創新。

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基金項目：2022年國家級大學生創新創業訓練計劃（202210340051）

作者簡介：劉昊（2001—?），男，漢族，江蘇連云港人，本科，研究方向：機械電子工程。

*通訊作者：史曉敏（1970—?），男，漢族，內蒙古包頭人，研究生，副教授，研究方向：涉海類機械裝備設計與研究。