网箱养殖自动投饵装置的设计与研究

刘昊 史晓敏 董帅喜 张益鹏

摘 要：网箱养殖业已经成为现代化养殖业的重要发展方向，但是目前国内普遍采用的饲料供给模式仍然是由渔夫进行人工供给，其稳定性较差。本文针对装置结构、投喂原理等几个关键问题进行了详细分析，开发出一种可以对鱼群、水质等进行监测，并针对不同情况实现自动投喂的深海网箱自动投料装置。这样不仅能极大地提升鱼苗的产量，还能保证鱼苗的安全，这对鱼苗的发展和海洋环境的保护都有很大的好处。

关键词：自动控制；深水网箱；水产养殖

中图分类号：TH122  文献标识码：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

随着网箱养殖业的发展，对饲料的投喂要求越来越高。投喂饵料是水产养殖过程中的重要投资，对养殖鱼类的品质、产量等有重大影响。目前，深水网箱养殖主要以人工投喂为主，存在劳动强度高、投喂不均、效率低、饵料量难以控制等问题。饲料浪费会造成水体污染，恶化养殖环境，加剧鱼类疾病，增加成本，降低效益。因此，科学合理的饵料投喂技术对养殖效果和生态环境至关重要。

水产养殖中，如何控制饲料投入，实现饲料的可持续发展，是一个重要问题。随着自动化养殖设备的发展，投喂装置作为一种重要的养殖设备，越来越受到渔民的重视。为适应不同的养殖方式，市场上发明了各种投饵器。但目前国内普遍使用的自动投饵器存在饲料破损率高、运行稳定性差等问题，无法满足深水网箱养殖的稳定性和安全性要求。许多西欧国家都实现了高度自动化，例如挪威的深水网箱自动喂食系统，可以监测水质和鱼类状况，实现自动化投喂和遥控操作。我国已有相关政策，支持开发适用的装备，以实现精准投喂、节省饵料和保护水质等目标，同时节约劳动成本，促进养殖鱼类的健康成长。

1 装置总体结构设计

1.1 总体结构

装置设备包括浮力底座，其顶部通过调节杆固定有支撑盘。支撑盘的顶部中间位置固定有自动放料结构，而且围绕该结构固定设置有蓄电池、自动控制箱、气泵和残渣过滤结构。此外，浮力底座的顶部还固定有饲料残渣收集结构。支撑盘的底部通过螺栓固定有出料结构。

饲料残渣收集结构包括浮力底座、料渣收集套筒、支撑杆、拦截网、导气管、浮力橡胶球囊、连通气管、输气管和抽料管。其中，料渣收集套筒的底部连接抽料管，顶部连接若干支撑杆，支撑杆上固定有拦截网，相邻的支撑杆之间通过连通气管相连，其中一個连通气管上固定有输气管，输气管通过气泵与外界相连，导气管连接浮力橡胶球囊，浮力底座连接残渣过滤结构的输入端。

浮力底座包括外限制框，外限制框顶部通过延伸固定座与料渣收集套筒相配合。外限制框填充了与其内腔配合的锥形橡胶气囊，并且底端固定有挂钩。外限制框的外侧固定有连接限位耳板，顶部端面固定有底部连接座，与调节杆转动连接。

自动放料结构包括储料筒和筒盖。筒盖通过电机罩固定在储料筒顶部，而位于电机罩一侧的位置固定有与储料筒内腔连通的加料斗。

支撑盘顶部的轴心处开设了与排料管配合的通孔。支撑盘顶部固定有电动伸缩杆，该杆通过外侧延伸与支撑板固定连接。残渣过滤结构包括与支撑盘顶部固定连接的残渣过滤箱。残渣过滤箱顶部固定有与其内腔连通的抽水泵，并且抽水泵的进水口与抽料管连通。

深水网箱自动投料装置整体结构如下图所示。

1.浮力底座；2.调节杆；3.支撑盘；4.自动放料结构；5.蓄电池；6.自动控制箱；7.气泵；8.残渣过滤结构；9.饲料残渣收集结构

总体结构设计图

1.2 投料原理

目前市场上有三种主要的装置鱼饵投放模式：气动投放、振动投放和蜗轮蜗杆投放。其中，振动投放的稳定性较差，精度较低，同时由于深海养殖环境的限制，经常更换也不方便；而蜗杆驱动的蜗轮型结构比较复杂，造价昂贵，维修困难。

气力输送装置由动力部分、输送管道、储料部分、混合加速部分、气固分离部分和控制部分组成。动力部分为整个装置提供动力源，保证物料稳定输送；输送管道是物料运输的载体；储料部分为装置提供充足的物料；混合加速部分是装置的核心之一，是物料与气流混合输送的重要保障；气固分离部分是装置的核心之一，主要作用是把物料从空气中分离开，气固分离设备的优劣对整个装置的性能有着至关重要的影响；控制部分影响整个装置的运转。气力输送的参数包括物料输送量、物料与气体的占比、气流速度、风量、管道直径、输送的压力等；气力输送的设计主要在于风机的选型、管道尺寸、气流入口的风速、气固分离装置的结构参数、物料与气流混合的结构设计等。

综上所述，气力输送结构简单，布置灵活，工作效率较高，保证了物料的清洁干净，适用管道输送，应用范围较广。

2 监测系统

监测饲料颗粒消耗是科学制定饲料策略的必要依据。通过监测饲料颗粒的消耗情况，可以有效减少饲料的浪费和水污染，实现经济和生态效益的双赢。为了进一步提高投喂的精度，需要实时监测水下残饵并反馈给投饵机控制投料量。然而，水下环境的光线差和干扰对最小进料粒子检测和水下图像处理提出了巨大挑战。因此，需要采用先进的技术手段，如高分辨率摄像头、图像处理算法等，来提高水下图像的清晰度和准确性。只有这样，才能实现对水下环境的精准监测和控制，从而更好地保护水生生物和水环境的健康。目前，我国水产养殖主体还处于以手工采集信息为主，利用固定的水质传感器监测为主的传统模式。但此法需耗费大量的人力、物力、工效，并不能完全覆盖整个水体，因而难以取得理想的效果。但是，随着移动互联网、大数据、云计算和人工智能等技术的不断发展，我国的水产养殖业面临着严峻的挑战。因此，有必要对水体进行全方位的立体监测，以更好地认识水体的立体变化特点。为此，本项目拟通过在投喂装置中设置多种传感器，实现对水体及鱼类状态的全方位监测。

2.1 传感器系统

（1）温度传感器：温度传感器用于监测水温。合适的水温对鱼类的生长和繁殖至关重要。通过实时监测水温，可以及时采取措施调节养殖环境，保持适宜的水温。

（2）溶解氧传感器：溶解氧传感器用于测量水中溶解氧的含量。溶解氧是鱼类生长所需的关键参数，对于维持健康的水质十分重要。通过实时监测溶解氧含量，可以及时调整通气设备或调节水流量，以确保充足的溶解氧供应。

（3）pH传感器：pH传感器用于测量水域的酸碱度。适宜的pH值对鱼类的生长、摄食和代谢有重要影响。通过实时监测pH值，可以及时调整酸碱度，维持理想的水质。

（4）氨氮传感器：氨氮传感器用于测量水中的氨氮含量。氨氮是饲料残渣和鱼类代谢产物分解的产物，过高的氨氮会对鱼类健康造成严重影响。通过实时监测氨氮含量，可以及时调整饲料投喂量和水质处理设备，保持适宜的水质。

这些传感器的选用取决于具体的养殖需求和监测要求。通过实时监测水质参数和环境条件，可以及时发现异常情况，并采取相应的措施进行调整，确保良好的养殖环境和鱼类的健康生长。

2.2 视觉识别系统

2.2.1 该系统包括的构件

（1）摄像头：用于拍摄深海网箱内部的图像。

（2）图像处理单元：用于对摄像头拍摄到的图像进行处理，提取出感兴趣的目标，并将目标的位置和特征信息提取出来。

（3）控制单元：用于接收图像处理单元提取出来的目标信息，并根据这些信息来控制養殖网箱的运行状态。

2.2.2 该系统可实现的功能

（1）监测鱼类数量和体重：通过对摄像头拍摄到的图像进行处理，可以提取出养殖网箱内的鱼类数量和体重信息。这些信息可以用于监测鱼类的生长情况，以及确定饲料的投放量和时间。

（2）监测水质：通过对摄像头拍摄到的图像进行处理，可以提取出水质信息，如水质浑浊度等。这些信息可以用于监测水质状况，及时发现问题并采取措施。

（3）监测网箱结构：通过对摄像头拍摄到的图像进行处理，可以提取出养殖网箱的结构信息，如网箱内部障碍物、网箱外部海洋环境等。这些信息可以用于监测网箱结构状况，及时发现问题并采取措施。

总之，该视觉传感器系统可以帮助深海网箱养殖业主更好地监测和控制养殖环境，提高养殖效率和产品质量。

3 自动化控制系统的设计

投饵控制装置硬件由通信模块、含EEPROM的单片机，实时时钟电路、D/A转换器等结构组成。

（1）通信模块：随着技术的进步，无线通信技术已经取得了长足的进步，它能够有效地解决控制室与养殖网箱之间的通信问题，并且能够提供更高的可靠性和更长的传输时间，从而降低了成本。通过使用VB中的MSCOMM编程语言，我们可以创建一个高效的无线通信系统，它可以将数据和控制指令进行快速、准确的传输，并且可以与投饵机的单片机进行有效的交互，从而使得投饵机能够更好地完成任务。

（2）实时时钟模块：选择准确性高、耗能低的实时时钟芯片（如DS1302、DS3231），连接电源并提供稳定可靠的电源供应，初始化时钟芯片的相关参数（如时间、日期、闹钟等），为用户提供友好的界面，使用LCD显示屏和按键等设备来实现用户界面，让用户可以直观地看到当前时间，并进行设置。

（3）D/A模块：在这个自动投料仪中，我们选用了一款12位串行的D/A芯片，型号为TLV5616。这款芯片具有高精度、低功耗、低失真等特点，非常适合用于这种需要高精度控制的场合。通过将数字信号输入TLV5616芯片中，我们可以得到相应的模拟电压输出，从而实现对直流电机的自动调速功能。通过使用D/A模块，我们可以让自动投料仪更加精准地控制直流电机的转速。这样一来，不仅可以提高生产效率，还可以提高产品质量。

4 结论

本研究开发的自动投料设备是专门为深海网箱养殖而设计的。该设备由多个模块组成，可以实现远程控制和智能化投喂，从而提高养殖效率。经过多次实验和优化，该设备已经成功解决了传统养殖方式中频繁投喂的问题，并取得了显著的成果。未来，我们将进一步完善和优化该设备，以便发挥更大的作用，为深海网箱养殖行业的发展做出更大的贡献。这一设备的研发不仅提高了养殖效率，也为深海网箱养殖行业带来了更多的便利和创新。

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基金項目：2022年国家级大学生创新创业训练计划（202210340051）

作者简介：刘昊（2001— ），男，汉族，江苏连云港人，本科，研究方向：机械电子工程。

*通讯作者：史晓敏（1970— ），男，汉族，内蒙古包头人，研究生，副教授，研究方向：涉海类机械装备设计与研究。