智慧漁業(yè)循環(huán)水投餌機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計

2025年第一期2025年3月2025年第一屆“未來杯”創(chuàng)新發(fā)展研究理論征集活動/創(chuàng)新·發(fā)展·融匯·理論智慧漁業(yè)循環(huán)水投餌機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計李偉峰1、洪茂林2、張佳靜31廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院福建省廈門市郵編3611002廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院福建省廈門市郵編3611003廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院福建省廈門市郵編361100關(guān)鍵詞:智慧漁業(yè)1互聯(lián)網(wǎng)時代2就業(yè)新領(lǐng)域3循環(huán)水4投餌機(jī)系統(tǒng)5摘要：本文深入探討了智慧漁業(yè)循環(huán)水投餌機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計、實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。隨著漁業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，傳統(tǒng)投餌方式弊端凸顯，該系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)總體設(shè)計，包括架構(gòu)與功能需求；深入分析硬件與軟件設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)；通過全面測試驗(yàn)證系統(tǒng)性能。結(jié)果表明，系統(tǒng)功能完善、性能穩(wěn)定，能有效提升養(yǎng)殖效益，具有廣闊應(yīng)用前景，為現(xiàn)代漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。一、引言在漁業(yè)現(xiàn)代化快速推進(jìn)的當(dāng)下，傳統(tǒng)投餌方式的諸多局限日益顯著。人工投餌不僅需要耗費(fèi)大量人力，勞動強(qiáng)度極大，而且在精準(zhǔn)投餌方面存在嚴(yán)重不足。相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，在傳統(tǒng)投餌模式下，餌料浪費(fèi)率高達(dá)[X]%。這一現(xiàn)象不僅直接導(dǎo)致養(yǎng)殖成本大幅增加，更為嚴(yán)重的是，大量殘留餌料會在養(yǎng)殖水體中分解，引發(fā)水質(zhì)惡化。水質(zhì)的惡化會對魚類的生長環(huán)境造成負(fù)面影響，抑制魚類生長，降低養(yǎng)殖效益，同時也對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。智慧漁業(yè)循環(huán)水投餌機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)，為解決傳統(tǒng)投餌方式的困境提供了創(chuàng)新的解決方案。該系統(tǒng)能夠依據(jù)養(yǎng)殖水體的多種環(huán)境參數(shù)，如溫度、溶解氧、pH值等，以及魚類的生長狀況等因素，精確控制投餌量和投餌時間，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、精準(zhǔn)的投餌操作。同時，結(jié)合循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，它能夠有效維持水質(zhì)的穩(wěn)定，減少水質(zhì)污染，為魚類創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，推動漁業(yè)向可持續(xù)發(fā)展方向邁進(jìn)。二、系統(tǒng)總體設(shè)計2.1系統(tǒng)架構(gòu)智慧漁業(yè)循環(huán)水投餌機(jī)系統(tǒng)是一個高度集成的綜合性系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、投餌執(zhí)行模塊、通信模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺五個核心部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊猶如系統(tǒng)的“觸角”，負(fù)責(zé)全面收集養(yǎng)殖水體的各類關(guān)鍵信息。它不僅要采集溫度、溶解氧、pH值等環(huán)境參數(shù)，還要獲取魚類活動信息。這些信息是系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)投餌決策的重要依據(jù)。控制模塊作為系統(tǒng)的“大腦”，承擔(dān)著對采集數(shù)據(jù)的分析處理重任。它依據(jù)預(yù)設(shè)的投餌策略，對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，精確計算出適宜的投餌量和投餌時間，并向投餌執(zhí)行模塊發(fā)送控制指令，確保投餌操作的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。投餌執(zhí)行模塊則是系統(tǒng)的“執(zhí)行者”，它嚴(yán)格依照控制模塊發(fā)出的指令，準(zhǔn)確無誤地完成投餌動作，將適量的餌料在合適的時間投放到養(yǎng)殖水體中。通信模塊扮演著“橋梁”的角色，實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺之間的數(shù)據(jù)高效傳輸，確保信息的實(shí)時交互。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺為養(yǎng)殖人員提供了一個直觀、便捷的操作界面，使他們能夠?qū)崟r監(jiān)控投餌情況，并進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)殖過程的智能化管理。[3]2.2功能需求精準(zhǔn)投餌功能：該系統(tǒng)需要綜合考慮水質(zhì)參數(shù)、魚類數(shù)量以及生長階段等多方面因素，運(yùn)用先進(jìn)的算法精確計算并投放適量的餌料。通過精準(zhǔn)投餌，有效避免餌料浪費(fèi)和過度投喂現(xiàn)象，提高餌料利用率，降低養(yǎng)殖成本。定時投餌功能：為滿足不同養(yǎng)殖品種的攝食習(xí)性，系統(tǒng)應(yīng)支持按照用戶設(shè)定的時間間隔進(jìn)行自動投餌。定時投餌功能要求具備高度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，確保投餌時間的誤差控制在極小范圍內(nèi)。遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制功能：養(yǎng)殖人員可以通過手機(jī)、電腦等多種終端設(shè)備，隨時隨地遠(yuǎn)程查看投餌機(jī)的工作狀態(tài)、實(shí)時水質(zhì)數(shù)據(jù)等重要信息。同時，能夠方便地遠(yuǎn)程調(diào)整投餌參數(shù)，如投餌量、投餌時間等，實(shí)現(xiàn)對投餌過程的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制。故障報警功能：為保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行，當(dāng)投餌機(jī)出現(xiàn)故障，如電機(jī)故障、餌料堵塞等情況，或水質(zhì)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)應(yīng)能夠及時發(fā)出報警信息。報警方式應(yīng)多樣化，包括短信通知、平臺提示等，確保養(yǎng)殖人員能夠第一時間得知并進(jìn)行處理。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊是系統(tǒng)獲取信息的源頭，主要由各類傳感器組成。溫度傳感器選用DS18B20，其具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地測量水體溫度，為后續(xù)的投餌決策提供重要的溫度數(shù)據(jù)支持。溶解氧傳感器采用基于電化學(xué)原理的傳感器，這種傳感器能夠快速、靈敏地響應(yīng)水體中溶解氧的變化，準(zhǔn)確測量溶解氧含量，以反映水體的溶氧狀況。pH值傳感器則選用玻璃電極式傳感器，它可以精確測量水體酸堿度，為判斷水質(zhì)的酸堿性提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。此外，為了更全面地了解魚類活動情況，系統(tǒng)安裝了攝像頭用于監(jiān)測魚類的活動狀態(tài)，如游動軌跡、聚集情況等。同時，設(shè)置了紅外傳感器用于檢測投餌區(qū)域內(nèi)是否有魚類聚集，以便更精準(zhǔn)地把握投餌時機(jī)。這些傳感器采集到的信號大多為模擬信號，需要通過A/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，才能傳輸給控制模塊進(jìn)行后續(xù)處理。A/D轉(zhuǎn)換電路能夠確保信號轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供保障。[4]3.2控制模塊控制模塊以單片機(jī)為核心，本系統(tǒng)選用STM32系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)具有豐富的外設(shè)資源和強(qiáng)大的處理能力，能夠滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理和控制的復(fù)雜需求。單片機(jī)接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)后，依據(jù)預(yù)設(shè)的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析處理。通過復(fù)雜的計算模型，結(jié)合水質(zhì)參數(shù)、魚類生長信息等多方面數(shù)據(jù)，精確計算出投餌量和投餌時間。同時，單片機(jī)負(fù)責(zé)與通信模塊和投餌執(zhí)行模塊進(jìn)行高效通信，將計算得出的控制指令準(zhǔn)確無誤地發(fā)送給相應(yīng)模塊。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，控制模塊還配備了完善的電源電路、復(fù)位電路和時鐘電路等。電源電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，復(fù)位電路確保系統(tǒng)在異常情況下能夠恢復(fù)正常運(yùn)行，時鐘電路則為系統(tǒng)的各項操作提供準(zhǔn)確的時間基準(zhǔn)。[5]3.3投餌執(zhí)行模塊投餌執(zhí)行模塊主要由電機(jī)、螺旋送料器、餌料箱和投餌口等部分組成。電機(jī)通過減速器驅(qū)動螺旋送料器旋轉(zhuǎn)，螺旋送料器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動將餌料從餌料箱中緩慢、穩(wěn)定地輸送到投餌口。通過精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動時間，可以實(shí)現(xiàn)對投餌量的精準(zhǔn)控制。為了防止餌料在輸送過程中發(fā)生堵塞，在螺旋送料器和投餌口處設(shè)置了專門的防堵塞裝置。該裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測餌料的輸送情況，當(dāng)檢測到堵塞時，系統(tǒng)會自動采取反轉(zhuǎn)等措施進(jìn)行疏通，確保投餌過程的順暢進(jìn)行。3.4通信模塊通信模塊采用Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺之間的無線通信。Wi-Fi模塊具有傳輸速度快、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)對大量數(shù)據(jù)快速、穩(wěn)定傳輸?shù)男枨蟆Ｍㄟ^與無線路由器建立連接，投餌機(jī)可以將采集的數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息高效地發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。同時，能夠及時接收來自遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的控制指令，實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備與遠(yuǎn)程平臺之間的雙向數(shù)據(jù)交互。[6]四、系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1控制程序設(shè)計控制程序是投餌機(jī)系統(tǒng)的核心軟件部分，采用C語言進(jìn)行編寫。C語言具有高效、靈活等特點(diǎn)，適合用于開發(fā)對性能要求較高的系統(tǒng)程序?？刂瞥绦蛑饕〝?shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)分析與處理子程序、投餌控制子程序和通信子程序等多個功能模塊。數(shù)據(jù)采集子程序負(fù)責(zé)按照設(shè)定的時間間隔，準(zhǔn)確采集各個傳感器的數(shù)據(jù)。它能夠與不同類型的傳感器進(jìn)行有效通信，確保采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、完整。數(shù)據(jù)分析與處理子程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行一系列預(yù)處理操作，包括濾波、校準(zhǔn)等，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。然后，根據(jù)預(yù)設(shè)的投餌策略，結(jié)合水質(zhì)參數(shù)、魚類生長模型等信息，精確計算投餌量和投餌時間。投餌控制子程序根據(jù)數(shù)據(jù)分析與處理子程序的計算結(jié)果，精確控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投餌。它能夠根據(jù)不同的投餌需求，靈活調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動時間，確保投餌量的準(zhǔn)確性。通信子程序負(fù)責(zé)與通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺之間的穩(wěn)定通信。它能夠?qū)⒈镜夭杉臄?shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息封裝成特定格式的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，同時準(zhǔn)確解析接收到的遠(yuǎn)程控制指令，為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制提供支持。4.2遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，這種架構(gòu)具有易于部署、維護(hù)和使用等優(yōu)點(diǎn)。前端界面使用HTML、CSS和JavaScript等技術(shù)進(jìn)行設(shè)計。HTML用于構(gòu)建頁面的基本結(jié)構(gòu)，CSS用于美化頁面的樣式，使界面更加美觀、直觀。JavaScript則為頁面添加豐富的交互功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)展示和用戶與界面的便捷交互操作[7]。后端服務(wù)器采用Python的Flask框架搭建。Flask框架具有輕量級、靈活等。五、關(guān)鍵技術(shù)5.1精準(zhǔn)投餌算法精準(zhǔn)投餌算法堪稱實(shí)現(xiàn)智慧投餌的核心關(guān)鍵技術(shù)。此算法全面且深入地綜合考量了水質(zhì)參數(shù)、魚類生長模型以及實(shí)時活動情況等多方面復(fù)雜因素。在對海量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘與細(xì)致分析的基礎(chǔ)上，巧妙運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，精心構(gòu)建起水質(zhì)參數(shù)與投餌量之間精準(zhǔn)的關(guān)系模型[8]。例如，當(dāng)水體溫度逐步升高時，魚類的新陳代謝速度明顯加快，其攝食量也隨之顯著增加，基于此，算法會依據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯規(guī)則，精準(zhǔn)地相應(yīng)增加投餌量；而當(dāng)水體中的溶解氧含量降低時，魚類的食欲會受到抑制而下降，算法便會恰當(dāng)?shù)販p少投餌量。與此同時，該算法還緊密結(jié)合攝像頭實(shí)時監(jiān)測到的魚類活動情況，像是魚類聚集的密集程度、游動速度的快慢等關(guān)鍵信息，運(yùn)用動態(tài)調(diào)整策略，進(jìn)一步優(yōu)化投餌方案，從而真正實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投餌，確保餌料投放既滿足魚類生長需求，又避免資源浪費(fèi)與水質(zhì)污染。5.2物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)在本地投餌機(jī)設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺之間搭建起了一條穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸橋梁。通過內(nèi)置的Wi-Fi模塊，投餌機(jī)能夠?qū)⒉杉降母黝悢?shù)據(jù)，如水質(zhì)數(shù)據(jù)、投餌量數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等，按照特定的格式封裝成數(shù)據(jù)包，嚴(yán)格遵循TCP/IP協(xié)議進(jìn)行高效傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為了切實(shí)保障敏感數(shù)據(jù)的安全性，系統(tǒng)采用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)加密技術(shù)，對涉及養(yǎng)殖核心信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，從根本上防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被不法分子竊取或惡意篡改[9]。此外，為了全方位保證通信的穩(wěn)定性與可靠性，系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用了重傳機(jī)制和心跳機(jī)制。一旦數(shù)據(jù)傳輸遭遇失敗，重傳機(jī)制會迅速啟動，自動進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳操作，直至數(shù)據(jù)成功傳輸；而心跳機(jī)制則如同一個時刻保持警惕的衛(wèi)士，定期對通信鏈路進(jìn)行檢測，實(shí)時判斷通信鏈路是否處于正常工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)通信故障，便能夠及時發(fā)出警報并啟動相應(yīng)的處理程序，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性與穩(wěn)定性。六、系統(tǒng)測試與結(jié)果分析6.1測試環(huán)境本次系統(tǒng)測試精心選址在一個小型循環(huán)水養(yǎng)殖試驗(yàn)池中開展。試驗(yàn)池中科學(xué)合理地養(yǎng)殖了一定數(shù)量的鯉魚，這些鯉魚的品種、規(guī)格以及生長階段都經(jīng)過嚴(yán)格篩選與控制，以最大程度地模擬真實(shí)的養(yǎng)殖環(huán)境。在整個測試過程中，研究團(tuán)隊通過人為設(shè)定不同的環(huán)境參數(shù)與養(yǎng)殖場景，如模擬不同的水質(zhì)條件（包括酸堿度、溶解氧含量、氨氮含量等）、不同的魚類生長階段、不同的養(yǎng)殖密度等，對系統(tǒng)的各項功能進(jìn)行全面、細(xì)致且嚴(yán)格的測試，確保系統(tǒng)在各種復(fù)雜情況下都能穩(wěn)定運(yùn)行并發(fā)揮出應(yīng)有的功效。6.2功能測試精準(zhǔn)投餌功能測試：測試人員通過人為設(shè)置多種不同的水質(zhì)參數(shù)組合以及不同數(shù)量的魚類，全面檢驗(yàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)投餌能力。經(jīng)過大量的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，結(jié)果顯示系統(tǒng)能夠依據(jù)輸入的參數(shù)，準(zhǔn)確無誤地計算出相應(yīng)的餌料量，并進(jìn)行精準(zhǔn)投放。經(jīng)嚴(yán)格測算，投餌誤差始終控制在±3%以內(nèi)，這一優(yōu)異的表現(xiàn)完全滿足了精準(zhǔn)投餌的嚴(yán)格要求，充分證明了精準(zhǔn)投餌算法的科學(xué)性與可靠性。定時投餌功能測試：按照預(yù)先設(shè)定好的不同時間間隔，如每小時、每兩小時等，對系統(tǒng)的定時投餌功能進(jìn)行測試。在長時間的測試過程中，系統(tǒng)均能按照設(shè)定的時間準(zhǔn)時進(jìn)行自動投餌操作。通過高精度的計時設(shè)備監(jiān)測，投餌時間誤差不超過±5秒，充分表明定時投餌功能不僅穩(wěn)定可靠，而且具備極高的時間精度，能夠?yàn)轸~類提供規(guī)律的進(jìn)食時間，滿足養(yǎng)殖生產(chǎn)的實(shí)際需求。遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制功能測試：在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺上，測試人員能夠?qū)崟r、清晰地查看投餌機(jī)的工作狀態(tài)，包括設(shè)備是否正常運(yùn)行、當(dāng)前投餌量、剩余餌料量等關(guān)鍵信息；同時，還能實(shí)時獲取詳細(xì)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，如溫度、溶解氧、酸堿度等。更為重要的是，在進(jìn)行遠(yuǎn)程控制投餌機(jī)的啟停以及參數(shù)調(diào)整操作時，系統(tǒng)響應(yīng)極為迅速，控制指令能夠準(zhǔn)確無誤地傳達(dá)至投餌機(jī)并得到有效執(zhí)行，充分展示了遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制功能的高效性與準(zhǔn)確性。故障報警功能測試：為了全面檢驗(yàn)系統(tǒng)的故障報警功能，測試人員模擬了多種常見的故障情況，如電機(jī)故障（包括電機(jī)過載、短路等）、餌料堵塞（模擬餌料在輸送管道中發(fā)生堵塞的場景）等。在模擬故障發(fā)生后，系統(tǒng)能夠迅速捕捉到異常信號，并及時發(fā)出報警信息。報警方式多樣化，不僅通過短信的形式將故障信息及時發(fā)送給養(yǎng)殖人員，同時在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺上進(jìn)行醒目的提示，確保養(yǎng)殖人員能夠在第一時間得知故障情況并采取相應(yīng)的處理措施。6.3性能測試針對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集頻率、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和投餌機(jī)的工作效率等關(guān)鍵性能指標(biāo)，測試團(tuán)隊展開了全面而深入的測試。在數(shù)據(jù)采集頻率方面，系統(tǒng)展現(xiàn)出了極高的靈活性，可根據(jù)實(shí)際養(yǎng)殖需求在1-60分鐘內(nèi)進(jìn)行自由靈活設(shè)置。無論是在高頻采集模式下對水質(zhì)的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，還是在低頻采集模式下對長期數(shù)據(jù)的積累分析，采集到的數(shù)據(jù)都準(zhǔn)確可靠，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與決策提供了堅實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在連續(xù)運(yùn)行7×24小時的嚴(yán)苛測試過程中，數(shù)據(jù)傳輸成功率始終保持在99%以上，充分證明了物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的穩(wěn)定性與可靠性；同時