海洋牧场远程监控投饵系统设计.pdf

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1、海洋牧场远程监控投饵系统设计武立波,刘运胜,刘学喆,杨君德,张国胜,李盛德(大连海洋大学,辽宁省海洋牧场工程技术研究中心,大连 116023)摘要:为满足海洋牧场中系统化渔业生产和管理的需要,研制一种可用于海洋牧场的远程监控投饵系统。以可编程以太网控制器为核心,运用自动投饵、自动放声、水下摄像、传感器及无线通讯网络等技术,解决了海洋牧场对饵料定时定量精确投喂、音响驯化以及水下视频监控等问题,实现了海洋牧场的远程控制和管理。关键词:海洋牧场;投饵机;远程监控;系统设计中图分类号:S953?文献标识码:A?文章编号:1007-9580(2010)02-23-04收稿日期:2009-10-16;修回

2、日期:2010-03-31基金项目:国家海洋公益性行业科研专项(200805030)作者简介:武立波(1978?),男,讲师,硕士,研究方向:机械设计制造与渔业设施装备设计。E-mai:l wulibo 通讯作者:张国胜(1960?),男,教授,博士,从事鱼类行为学、捕捞学、增养殖工程学研究。E-mai:l hyx-zhang ?海洋牧场建设的关键是解决人工生息场的建造和改良、对象生物的行为控制、环境调控、生物资源的监测等问题 1-2。因此,为实现海洋牧场中系统化的渔业生产和管理,研制一种具有远程监控功能的微量投饵系统具有重要意义。国内虽有外海大型抗风浪网箱养殖自动投饵系统,但它们难以实现微量

3、投饵,且体积庞大,结构复杂,使用维护成本高,不能实现陆上远程控制与实时监测,达不到海洋牧场的使用要求。国外集微量投饵、音响驯化、水下监控等技术于一体的自动投饵系统已得到广泛应用,但其技术要求高,结构复杂,造价昂贵,也不适应我国海洋渔业生产需要 3-4。1?研制方案我国海洋牧场技术还处于起步阶段,依据目前国情和养殖用户的经济状况以及海洋牧场的技术要求,造价较高的设备用户难以接受。因此,所研制的海洋牧场远程监控投饵系统主要解决以下问题 5-7:(1)定时播放一定频率的声波,将经过人工驯化的鱼苗聚集在一定海域范围内;(2)定时定量精确投饵,结合音响驯化,使鱼类形成条件反射,以提高饵料利用率以及对鱼类

4、活动的行为控制;(3)实时观测水下鱼类的大小、数量以及活动范围;(4)实现投饵、音响驯化以及水下视频的远程监控,降低劳动强度,提高渔业资源利用率。2?系统的结构组成与功能投饵系统总体结构为塔式布局(图 1),由太阳能电源、投饵机、浮子、可编程以太网控制器、水下传感器、水下摄像头、音响放声装置以及远程网络监控终端等组成。其组成原理:浮子作为海上工作平台,利用锚将其固定在海洋牧场中,投饵机安装在其上部,且通过安装在浮子内部的可编程逻辑控制器实现全天候定时定量自动投撒饵料。为提高饲料利用率,投饵前,由安装在浮子下方的音响放声装置将经过人工驯化的鱼类吸引到浮子周围,再由安装在浮子下部的水下摄像头将鱼的

5、种类、数量、大小等图像信息通过无线通信网络输送至远程网络监控终端(PC 机),根据反馈的信息确定鱼类不同生长时期所需的饵料量,通过修改控制程序,实现投饵机全天候分阶段定时定量投撒饵料。同时,利用安装在浮子下部的水下测量系统实时观测海水温度、盐度、溶解氧等信息 8,为饵料的需求量、鱼类生长速度及其饵料转化率等问题提供科学依据。由于远程监控终端与投饵机之间架设电缆很困难且不安全,所以本系统采用太阳能光伏电源。系统工作过程中,有日照时太阳能电池板把太阳能转换为电能供给整个系统,并对蓄电池进行充电,阴天和夜晚由蓄电池向系统供电。23?渔业现代化?2010年第 37卷第 2期?1.太阳能电池板2.投饵机

6、3.蓄电池4.音响放声装置?5.浮子?6.水下摄像头7.以太网可编程控制器 PEC30008.出料管图 1?自动投饵系统结构示意图F ig.1Structuralpresentation of the auto-feeding syste m2.1?投饵机投饵机是整个饵料自动投喂系统的基础,可以单独使用,也可以多台联网通过计算机实现远程网络集中控制。其功能是:在可编程以太网控制器作用下,投饵机上的电磁铁按照控制指令顺序动作,从而实现投饵机定时定量投放饵料。其结构主要由定量下料装置和撒料密封装置 2部分组成(图 2)。2.1.1定量下料装置定量下料装置主要由定量盒 1、电磁铁 2、9、储料箱 8

7、、下料板 11和复位杆10构成,其核心部件是定量盒,在两端电磁铁驱动下可以在滑轨中滑动。储料箱的功能为暂存饵料,其大小、形状及材质可根据实际需要进行设计,储料箱通过料斗接口与定量下料机构连接。工作起始,定量盒位于右侧,与储料箱下料口相接,定量盒底部的下料板处于关闭状态,饲料依靠自身重力落入定量盒,电磁铁 9瞬间动作,将定量盒推向左侧,储料箱下料口关闭,受饲料和自身重力作用,定量盒的下料板打开,饲料经导料槽下落到锥形料斗,电磁铁 2得电瞬间动作,将定量盒推向右侧,使其回到起始工作位置。定量盒的大小一定,每一次投饵量的多少通过调节电磁铁的工作时间和工作频率实现。在投饵前把投饵量输入到控制程序中,控

8、制器按照程序设定的工作参数驱动投饵机投放饵料。2.1.2撒料密封装置撒料密封装置主要由防潮密封塞 7、锥形料斗 6、复位弹簧 4、下料杆 5和电磁铁 3构成。通过在出料管上端设置防潮密封柱塞,柱塞上端制成锥面,并在复位弹簧作用下与锥形料斗形成密封配合以阻断湿气上行,当饵料进入出料管上端的锥形料斗时,电磁铁 3得电动作,推动下料杆下行,柱塞与锥形料斗打开,饲料撒入海中,电磁铁断电,由复位弹簧作用,下料杆上行,料斗再次密封,完成一次循环。如果定量下料装置直接与出料管相连,导致海水潮湿空气入侵,饲料受潮以及主要金属零部件腐蚀,影响投饵机正常工作以及使用寿命。1.定量盒2、3、9.电磁铁4.复位弹簧5

9、.下料杆?6.锥形料斗?7.密封柱塞8.储料箱10.复位杆?11.下料板12.导料槽图 2?自动投饵机示意图Fig.2Schematic presentation of the auto-feeding machine2.2?控制系统组成及原理自动投饵控制系统框图如图 3所示。其中,可编程以太网控制器是自动投饵系统的控制核心。它具有多个开关量输入输出接口,通过继电器组连接各工作模块,并利用所支持的图形化功能块指令程序设定投饵系统各模块的工作状态;具有 1个以太网通讯接口,并通过 3G无线通讯网络与远程监控终端(PC机)相连,实现控制指令的远程输送以及投饵系统工作状态的远程监控。远程监控终端则通

10、过 3G无线通讯网络直接与水下摄像头和传感器相连,实现远程视频监控以及养殖环境的实时监测。整个系统的工作原理是:可编程以太网控制器作为控制核心,读取指令程序,通过继电器组控制水下摄像头、投饵机、音响及测量传感器按时工作。上位 PC机通过 IP地址与控制器通信,并获取控制器的当前工作状态,给控制器发送指令,驱动控制器打开或关闭摄像头以及水下测量传感器,将鱼类生长状况、水质参数等信息传送到上位 PC机。根据反馈信息,养24?渔业现代化?2010年第 37卷第 2期?殖工作人员利用上位 PC 机在线控制,实时调整投饵机的工作参数以及音响放声的工作时间,实现海洋牧场投饵系统的远程监控。图 3?控制系统

11、框图F ig.3Sche matic presentation of the control syste m3?系统应用3.1?远程网络视频监控远程网络监控系统的任务是对牧场中的鱼类生长状况、饵料投喂情况以及海水的各关键参数实时监测。远程监控终端设置在位于内陆的养殖办公室,而海洋牧场在离海岸线几公里的海域中,两者通过无线通讯网络连接起来,其主要应用是管理和安全防范。系统的上位 PC机与 internet相联作为远程监控终端,可编程以太网控制器、继电器组、路由器、水下摄像头、传感器等安装在浮子上实现现场控制和检测。控制器通过 3G无线通讯与 internet相联,接收上位 PC机发送的控制指令。

12、同时,将水下视频图像和传感器检测数据上传至上位 PC机。这一应用的主要特征是:基于无线通讯方式的图像和数据的采集和处理,较好地实现了海洋牧场远程可视化监测和管理。3.2?自动投饵远程控制自动投饵控制系统有 2种工作模式,当所需饵料量和投喂次数保持不变时,投饵机按照控制器内部设定的程序,按设定时间打开音响放声装置以及投饵机开始定时定量自动投撒饵料,实现自动工作模式;当所需饵料量和投喂次数改变时,上位 PC机通过 3G网络与控制器通信,控制器首先把投饵机当前的工作状态传送至上位 PC 机,利用上位 PC机修改投饵机的投饵时刻和投饵次数等参数并传送至控制器,控制器按照新设置的命令或参数对音响放声装置

13、和投饵机进行调整,实现远程网络控制。4?结论该投饵系统采用可编程以太网控制器为系统的控制核心,实现音响放声的定时工作、定时定量自动投饵以及投饵工作参数的远程控制和修改,并通过网络摄像头将水下视频信号经无线通讯网络输出到PC机,供使用者观察或录制。因此,该系统有效地解决了海洋牧场养殖环境下饵料微量投放、鱼类音响驯化、水下摄像以及远程监控等系统化管理问题。同时,还解决了饵料防潮、密封等问题,有效地保证了投饵系统的正常运行。另外,还可根据实际需要搭载用于测量海水温度和盐度以及其他参数的检测装置,从而实现投饵系统的功能修改和扩展。功能模块化设计是本投饵系统有待完善的问题之一。同时,智能化水平的提高、投

14、饵程序和控制软件的开发以及便捷的人机交互模式的建立也是面临的主要问题。随着科学技术的发展,各种技术不断涌现,投饵设备的智能化和远程控制是今后海洋渔业设施和管理方法的发展方向,海洋牧场远程监控投饵系统有着广阔的应用前景。?参考文献 1 张国胜,陈勇,张沛东,等.中国海域建设海洋牧场的意义及可行性 J.大连水产学院学报,2003,18(2):141-144.2 何国民,曾嘉,梁小芸.牧场化?现代海洋渔业的方向 J.渔业现代化,2003(5):4-6.3 庄保陆,郭根喜.水产养殖自动投饵装备研究进展与应用 J.南方水产,2008,4(4):67-72.4 周晓林,焦仁育,胡亚东.自动投饵系统设计 J

15、.渔业现代化,2005(6):41-43.5 孙书贤.建设海洋牧场发展新型生态渔业 J.海洋渔业,2005(6):81-83.6 陆忠康.我国海洋牧场开发研究的现状、面临的问题及其对策 J.现代渔业信息,1995(9):6-9.7 马军英,杨纪明.日本的海洋牧场研究 J.海洋科学,1994(3):22-24.8 高国栋,杨君德,于功志,等.基于 GPRS的海水温度自动监测系统 J.渔业现代化,2005(5):20-21.(下转第 13页)25?渔业现代化?2010年第 37卷第 2期?著高于养殖低价种类的电耗。(2)工厂化流水养殖是?高耗水耗能?的养殖模式,消耗了过高的环境成本,应限制其发展。

16、(3)应加快循环水工厂化养殖模式的研究,使其充分发挥节能减排效用。?参考文献 1 中华人民共和国农业部.关于加强农业和农村节能减排工作的意见 Z.农科教发(2007)9号.2徐皓.我国渔业节能减排基本情况研究报告 J.渔业现代化,2008,35(4):1-7.3中华人民共和国国家统计局.7-10 按行业分能源消费量(2005年)EB/OL.北京:中华人民共和国国家统计局,2006(2006-06-30)2008-07-10.http:/ m l/G0710c.xls 4徐皓,刘晃,张建华,等.我国渔业能源消耗测算 J.中国水产,2007(11):75-76.5农业部渔业局.中国渔业年鉴 200

17、8 M.北京:中国农业出版社,2008.6徐皓,刘晃,倪琦.我国水产养殖设施模式发展研究 J.渔业现代化,2007,34(6):1-6.7国家统计局能源统计司,国家能源局综合司.能源统计年鉴2008M.北京:中国统计出版社,2008.8国家统计局.中国统计年鉴 2008M.北京:中国统计出版社,2008.9 RAY A J,LEW IS B L,BROWDY C L,et a.l Suspended solidsremoval to i mprove shri mp(Litopenaeus vannamei)productionand an evaluation of a plant-base

18、d feed inm ini ma-l exchange,su-perintensive culture systems J.A quaculture,2010,299:8998.Investigation into energy consumption of aquaculture in ChinaCHE Xuan,L I U Huang,WU Juan,ZHUANG Bao-lu(K ey Laboratory of Fishery Equipm ent and Engineering,Fishery Machinery and InstrumentResearch Institute,C

19、hineseA cademy of Fishery Sciences,Shanghai 200092,China)Abstract:China is one of the countriesw ith high energy consumption and low energy efficiency in the world.The low level of energy-saving in fishery make it a field w ith great potentia,l which deserves ourmore atten-tion.In order to thoroughl

20、y investigate the statusquo of energy consumption in Chinas aquaculture,the energysurvey of the main producing areas of aquaculture far m ingwas carried ou.t The results showed that the culturepatterns and the culture species have a significant i mpact on energy consumption of aquaculture.But there

21、isno correlation between the energy consu mption and the yields.There ismore or less electricitywaste in all cu-lture models.From the whole,the far m ing equipment and technology is at a relatively lower level and there arestillmany problems in energy use and managemen.t Potential for energy saving

22、is huge extre mely.Culturistsare not aware enough to reduce power consumption,and still use the methods,technologies and equip mentsw ith high-level pollution.Recirculating aquaculture system has significant energy-saving performance,but theresearch on it has just begun,and has not yet for med an ef

23、fective and practical technology.Key words:aquaculture;energy consumption leve;l energy-saving and em ission-reducing;investigation(上接第 25页)Design of feeding syste m with remotemonitoring in marine ranchingWU L-ibo,LIU Yun-sheng,LI U Xue-zhe,YANG Jun-de,ZHANG Guo-sheng,LI Sheng-de(DalianF isheries U

24、niversity,Dalian 116023,China)Abstract:In order to reach the systematic fishing production andmanage m ent needed bymarine ranching,thefeeding system w ith re mote monitoring was developed.Programmable internet controller was used as controlcore in the system,and the technologies of auto-feeding,und

25、er water ca meras,sensors and w ireless networkare involved in.The technologies of precise feeding,audible accli m atization and under water camerasmonitorwere solved to meet the request ofmarine ranching.The remote control andm anage mentwas achieved.Key words:marine ranching;feeding machine;re motemonitoring;syste m design13?渔业现代化?2010年第 37卷第 2期?