网箱养殖智能投饲设计

由于野生鱼类资源的日趋枯竭，网箱养殖得以迅速发展。饲料投喂是养殖生产中一个重要的环节。目前在网箱养殖场广泛使用的投饲机，仅仅是代替了人工抛洒饲料这个重复动作。使用传统投饲机的养殖户不仅需要定时到网箱养殖现场进行投喂，更难以精确掌握最能满足养殖对象需求的投饲量［1］。投饲过少则导致养殖对象生长缓慢，影响产量，投饲过多则会增加饲料成本，同时会造成养殖海域的环境污染。工厂化大规模网箱养殖技术推动了自动投饲装备与技术的发展，国内已经取得了一定的研究成果，如辽宁省海洋牧场工程技术研究中心研制出一种远程监控投饲系统可以实现远程定时定量投饲［2］。但鱼群对饲料的需求量受鱼龄、健康状况、水温、溶解氧、光强等复杂因素的影响，在合理投饲方面，这些研究成果都只是根据预设的经验值“定量”投饲，智能性还略显不足。因此，研究一种新型智能投饲系统，结合监测与反馈控制以调控投饲时间及投饲量，提高饲料投喂的合理性，是网箱养殖业迫切需要解决的问题之一。现有网箱监测技术大多是针对网箱内鱼群的形态监测，了解鱼群的生长速度，或是针对网衣的监测，避免网衣破损、鱼群逃逸造成损失。专门针对饲料投放状况的监测在国外发展很快，技术相对比较成熟［3-4］，但国内还处于研发起步阶段，相关产品及报道都较少［5-6］。对水下目标的探测常用的有光、电、声、磁等方法，网箱养殖中使用的饲料作为一种水下小目标，比较适合用光学或声学的方法进行探测。考虑到我国的海水养殖业大多都还是在近海海域，海水浑浊导致水下能见度低，不适合用光学方法，必须借助于水声设备才能进行水下探测。本文提出一种利用声学方法来监测投饲情况、控制投饲过程的方案，以解决网箱养殖合理投饲的问题，同时减少养殖活动对海洋环境的影响。

1投饲监控系统概述

图1给出了一种基于声学原理实现智能投饲监控的方案示意图。根据鱼类的生活习性，在其进食活动刚开始不久，渗透到网箱底部的饲料是很稀疏的，而当其进食活动逐渐接近尾声时，渗透到网箱底部的饲料就会逐渐多起来，这一特点可以用来确定当前的投饲量以及是否还应继续投饲。在网箱的底部用重锤悬吊安装一个投饲监测仪，即一套收发合置的回声探测声纳。该声纳向网箱底部区域发射一束声波。依据目标声学反射原理［7］，声波在传输过程中，如果遇到目标饲料就会产生回波，通过分析接收到的回波信号能量值来判断饲料渗漏的量，并产生一个信号反馈到投饲控制系统，以控制投饲机的动作，减少欠投、过投等现象。本方案中，回声探测声纳的选用是关键，声纳性能、成本等因素将影响该方案的使用效果。

2声学监测系统设计

2．1单波束声纳监测

回声探测声纳以波束形式分类，有单波束和多波束，单波束声纳结构简单、实现方便、价格低廉，比较适合网箱养殖投饲监测用。图1中，回声探测声纳向网箱底部区域发射具有一定开角的声束，声信号在传播过程中遇到因过剩而落向海底的饲料时会发生发射，声纳接收某一段时间内的反射波，并传输给信号处理电路以计算其能量。某一段时间t1～t2(ms)内接收到的信号能量的计算方法为:E=∫t2t1|v(t)|2dt(1)式中，v(t)为接收到的反射信号电压，V;E为接收到的反射信号能量值，W•ms。在养殖对象进食初期，E应该是个小量，随着进食过程接近尾声，E将会逐渐增大。如图1所示，t1取声波从O点到A点传播时间的2倍，t2取声波从O点到B点传播时间的2倍，这样选取是为了重点计算被监测网箱底部范围内的饲料所产生的声反射信号能量，避免邻近网箱的干扰，考虑到海流的因素可以适当整体提前或延迟t1～t2的时间。声信号的频率与监测效果有很大的关系，要根据饲料颗粒的大小来选取，通常对于鱼类网箱养殖，其发射频率在200～500kHz之间比较合适，这一频率范围的声波对于饲料比较敏感，作用距离也比较合适，简单的声纳设备就可以达到10～50m的作用距离。此外，波束开角也会影响监测结果，波束开角过大，有可能把网箱底部、海底的反射能量一同计算进去，因此在这种情况下，一般取波束角≤10°。为了减少网箱底部网衣或海底可能引起的声波反射，声纳换能器可以采用椭圆结构，将长轴放置在水平方向，短轴在海深方向，这样可以大大减少海底和网衣的影响。

2．2固定多波束声纳监测

单波束声纳在某一时刻只能针对波束声轴方向上的一个固定范围实施监测，若要扩大监测范围，则需对其进行回转、俯仰等机械操作，在水下实施这些机械动作往往意味着设备复杂程度的提高和成本的上升。电子多波束声纳可以在比较大的区域内实施监测，不需要机械动作，性能也比较稳定可靠，它与单波束声纳相比，搜索速度较快，获取的信息量大，但其系统复杂，价格昂贵，不适于网箱养殖监测的需要。为了简化监控系统，同时降低成本，本文提出固定多波束的概念，类似于多部单波束声纳同时工作，这种监测方法布设如图2所示。和单波束声纳方案不同的是，图2中的4个回声探测声纳为一组，对应周围4个网箱，每组声纳共用1个控制系统。由于投饲控制是一个相对慢变的过程，可以使用电子开关采取分时操作方式，用1套电子系统实现同时对4个网箱的投饲监控。大多数方形、圆形网箱都可以采用这种方式，还可以根据网箱的形状和布设特点，加减换能器的数量和调整换能器的安装方位，以适应特定网箱的监控需求。对于这种固定多波束投饲监测设备，要求在每个网箱的相应位置上安装1台投饲机，将饲料回波信号按照与单波束监测声纳同样的控制算法进行计算和控制。声纳监测过程中同样要避免或减少海底和网箱底部网衣的影响，除了采取与单波束声纳相同的时隙控制外，还可以采用频率隔离和物理隔离，以减少多波束之间的互相影响。

3投饲控制系统设计

3．1投饲机的控制算法

图3是投饲机控制原理的示意图。投饲机通过螺旋或振动方式将饲料送到进料管道，螺旋推进或振动的速度决定了饲料流量，所以控制投饲机的电机状态(转速或转角)就可以进行饲料流量控制。控制器的受控对象一般是线性非时变的单参数反馈系统，可以采用经典的PID控制算法［8］。图3投饲控制示意图Fig．3Diagramoffeedingcontrol图3中，e=r－E是参考能量r与反射波能量E的误差;e的比例、积分、微分三者之和构成电机控制量u;y为转化的饲料流量控制量，g/s。需要预设的数据有2个:参考能量r，上限投饲时间T。控制算法如(2)式所示:u(t)=kpe(t)+ki∫t0e(τ)dτ+kdde(t)dt(t＜T)0(t≥T{)(2)控制算法是基于对饲料过剩量的控制，需要将饲料过剩量作为监测对象并作为控制依据，所以该算法是建立在有微量饲料剩余的基础上的。为了减少过剩饲料的浪费，可以选取参考值r为接近于0的一个小值，以使得饲料经过鱼群进食之后只有少量透过网箱。选定参考值r后，在电机控制下，饲料流量会根据鱼群的进食程度自动调整，保证透过网箱的饲料在预设值范围内。当饲料过剩量很小甚至没有过剩时，可能造成控制算法的失效，为防止这种现象，在算法中引入时间量T控制投饲过程的总时间。时间量的引入有两个作用:(1)当饲料流量保持在一个很低的水平，但仍有接近r的反射波能量E时，可以判断鱼群几乎不进食，只要T达到就关闭投饲机;(2)即使在没有饲料过剩的情况下，当投饲达到一定的时间T后也需要结束投饲过程。

3．2控制算法的硬件实现

以控制螺旋推进式投饲机的控制为例，图4显示的是基于ARM920T/Linux平台的智能投饲监控系统硬件结构图。回声探测声纳检测到过剩饲料产生的声反射信号，并将这种信号转化成电信号，通过一定的信号调理过程，送给CPU进行AD采样，转化成单位时间内的能量信号进行增量式数字PID推导，再用推导的输出量去调制PWM波形，送入高速光耦隔离器;耦合的信号以双极H桥方式驱动投饲机直流电机，实时控制电机转速以调整投饲流量，通过该反馈过程实现将剩余饲料限制在预设的较小范围，以实现智能投饲。图4控制器硬件结构图Fig．4Hardwareoffeedingcontrol监控系统的主控CPU选取SAMSUNG公司的通用型ARM9-S3C2440;WIFI模块选用CONE-XTOP公司的WiBoard接口板，作为接口扩展以满足大规模养殖投饲监控的需求;操作系统采用开源的ARM-Linux-2．6．28，便于驱动以及图形界面的快速开发;显示设备实时显示投饲反馈的反射波能量值和输出的控制量，提供操作人员现场监控。任何时候都可由标准按键和鼠标接口进入程序设置界面，设置反射能量参考值r和上限投饲时间T。

4规模养殖投饲监控设计

现代海水网箱养殖一般都是成规模养殖，有多达数百个网箱。对海上牧场的投饲过程进行监控可以有两种方式:一种是采用2．2节介绍的固定多波束方法，投饲监控设备和投饲机采用移动方式，投饲完一组网箱后移动到下一组，如此循环，完成整个海上牧场的投饲过程，显然这是一种低效率的投饲方式。本文提出一种采用多套投饲监控设备和投饲机的组网式投饲监控系统，以实现对于大型海上养殖牧场的远程智能投饲与监控。图5给出了其系统结构。图5投饲监控系统结构图Fig．5Structureoffeedingmonitorsystem在大规模海水养殖中，邻近的网箱投饲监控设备(如图5中监控点1和2)之间采用有线连接，构成一个网箱平台，而后各个网箱平台之间再通过无线组网成WLAN［9］。无线方式可以选择WIFI，工作在UHF频段，数据传输速度较高，组成的网络具有良好的稳定性和可靠性，组网成本低。这对于降低投饲监控网的建设和使用成本是有益的，但是其通讯距离有限，通常≤300m。所以在若干个WIFI之间要加入IP网络接入点，将这些数据汇总后通过无线方式(比如3G网络)发往有公网IP的岸基数据处理网络服务器，供岸上管理人员远程监视和控制，利用IP公网实现更大规模的网箱养殖海域的投饲监控。

5结语

本文就网箱养殖中的投饲量控制问题，提出了一种基于目标声反射原理的智能投饲监控方案，并从投饲监控原理、控制算法设计、系统硬件设计以及大规模养殖网络结构等方面进行了论述。该方案克服了已有的自动投饲机只能定时或定量投饲的缺点，能够做到精确满足养殖对象在不同养殖环境下的饲量需求，避免欠投、过投现象，在最大程度降低饲养成本并保护养殖水域环境的同时，保证鱼群的正常生长。值得强调的是，该方案采用了声学方法探测剩余饲料，而声波在浑水中传播时其能量损失很小(声波频率为300kHz，悬浮泥沙浓度为2～3g/L时声吸收约为0.3dB/m，常用网箱的直径＜20m，最大声衰减＜6dB)，因此，声纳探测可以正常工作在光学探测等难以进行的浑水海域，在黄海、东海等浑水海域的网箱养殖中更具有应用价值。