智能飼喂設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭習(xí)武

（江蘇財(cái)會職業(yè)學(xué)院，江蘇連云港 222061）

飼料成本通?？赡苷硷曃桂B(yǎng)殖系統(tǒng)總運(yùn)營成本的40%或更多（李昊宇等，2013）。據(jù)估計(jì)，放入養(yǎng)殖系統(tǒng)的飼料中有60%以上最終會變成微粒物存在（戚江濤等，2014）。如果允許可沉淀的顆粒物留在系統(tǒng)內(nèi)，它們的分解將消耗氧氣并產(chǎn)生氨氮和其他有毒物質(zhì)，如硫化氫 （趙海燕，2008）。攝食節(jié)律可影響飼料轉(zhuǎn)化率和飼養(yǎng)物肉類的組成成分，因此找到如何正確的進(jìn)食是非常重要的。為了停止喂養(yǎng)，開發(fā)了一些方法來檢測剩余飼料（唐佩娟等，2018）。估計(jì)食物浪費(fèi)的方法有的是在喂食期間將一張紙懸掛在籠子下面，喂食后回收，并計(jì)算剩下的飼料顆粒 （陳欽輝，2014），有的使用傳感器檢測飼喂箱中食物顆粒，以進(jìn)行攝食控制（余祖旺等，2015），也有的使用攝像機(jī)和圖像分析工具來檢測和計(jì)數(shù)剩余的顆粒（呂釗欽等，2014）?，F(xiàn)在，類似的系統(tǒng)在市場上可用于網(wǎng)箱應(yīng)用，使用的傳感器包括多普勒顆粒傳感器、CAS顆粒傳感器和攝像機(jī)傳感器。因此目前有使用新機(jī)器視覺系統(tǒng)的準(zhǔn)確性來識別飼料浪費(fèi)事件并報(bào)告響應(yīng)時(shí)間，其他方法能夠在環(huán)境被污染之前停止喂養(yǎng)（李秀芝等，2010）。例如使用反射型光電傳感器來檢測飼養(yǎng)物的聚集行為（薛曉健等，2014）。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對一種基于聚集行為的智能飼喂控制器在中等規(guī)模的飼養(yǎng)場進(jìn)行了評價(jià)和描述。

1 材料和方法

為詳細(xì)說明智能飼喂控制系統(tǒng)，本文以可循環(huán)鰻魚養(yǎng)殖系統(tǒng)為例來說明，鰻魚養(yǎng)殖系統(tǒng)的放養(yǎng)密度為45～90 kg/m3，個(gè)體鰻魚的大小為45～250 g。使用了8個(gè)2 m×2 m玻璃纖維罐，其具有圓角和1 m水深。再循環(huán)系統(tǒng)的保留時(shí)間為40 min。使用微過濾器、生物過濾器過濾再循環(huán)水，調(diào)節(jié)酸堿度，充氧至18 mg/L，并在回流至每個(gè)罐之前使用紫外線和臭氧消毒。進(jìn)水流速為1.25 m3/min。每天大約有10%的水被替換掉。這個(gè)工廠的鰻魚年產(chǎn)量約為5 t。

1.1 傳統(tǒng)的飼喂方案和裝置 鰻魚每天使用帶有自動進(jìn)料器的定時(shí)器控制旋轉(zhuǎn)板進(jìn)料4次，如圖1所示。給料機(jī)可分為四個(gè)部分：（1）兩端敞開的錐形料斗，用于儲存顆粒飼料；（2）旋轉(zhuǎn)板以接收從料斗底部出口掉落的飼料；（3）固定在旋轉(zhuǎn)板邊緣頂部的洗滌器；（4）驅(qū)動板的電機(jī)和扭曲的不銹鋼桿，該不銹鋼桿延伸到料斗中以斷開料斗內(nèi)的進(jìn)料形成的橋。

每個(gè)罐的側(cè)面都安裝了一個(gè)進(jìn)料器。24伏交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3 r/min。進(jìn)料速度（mg/min）可以通過改變料斗底部出口和旋轉(zhuǎn)板之間的間隙 （圖1A），以及旋轉(zhuǎn)板上與洗滌器凸起接觸的環(huán)的寬度（圖1B）。洗滌器和板之間沒有物理接觸。洗滌器和板之間的間隙小于一層飼料顆粒的高度。與洗滌器接觸的顆粒被迫沿其移動，并最終從旋轉(zhuǎn)板上落入水中。

每個(gè)槽的飼料量由每個(gè)槽中魚的生長階段決定。每頓準(zhǔn)確飼料量被稱重并手動裝入每個(gè)飼喂系統(tǒng)。稱重和再填充飼料對于許多培養(yǎng)罐的室內(nèi)操作來說是高度勞動密集型的，每個(gè)培養(yǎng)罐至少配備一個(gè)進(jìn)料器。喂食時(shí)間限制在每天4次。喂食時(shí)間分別設(shè)定為8:30～10:30、11:30～13:30、16:00～18:00和20:00～22:00。此外，由于所有進(jìn)料器僅使用一個(gè)計(jì)時(shí)器進(jìn)行控制，因此無論不同料斗中的進(jìn)料量如何，每餐的持續(xù)時(shí)間都被設(shè)置為2 h。2 h的長度是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，它足夠長，以確保所有料斗中的所有進(jìn)料都可以倒入水中。每當(dāng)鰻魚受到壓力時(shí)，由于暫時(shí)的休克、健康狀況不佳或水質(zhì)不佳，它們就不會聚在一起吃東西。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，工作人員可以手動關(guān)閉進(jìn)料器。然而，在沒有工作人員注意的第四次喂食階段，即使魚不吃東西，喂食器也會繼續(xù)將飼料倒入水中。這種管理上的缺陷導(dǎo)致飼料浪費(fèi)、水質(zhì)差、機(jī)械過濾器、生物過濾器、充氧設(shè)備的額外負(fù)荷以及對魚類的進(jìn)一步壓力。

1.2 改良飼喂系統(tǒng) 根據(jù)初步結(jié)果，開發(fā)了一種改進(jìn)的飼養(yǎng)系統(tǒng)。每個(gè)饋線都增加了一個(gè)紅外產(chǎn)生和檢測光電傳感器?！盎趥€(gè)人電腦的可編程控制器”被用來代替定時(shí)器來控制喂食時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。“基于個(gè)人電腦的可編程控制器”代表制造商提供的帶有中央處理器模塊的可編程控制器?？刂撇呗允怯肞aradmy-31軟件嵌入到可編程邏輯控制器中的，它允許用戶容易地創(chuàng)建梯形圖。開發(fā)了一種具有六個(gè)控制參數(shù)的控制策略，并將其編碼到可編程控制器中，形成一個(gè)新的智能饋線。光電傳感器發(fā)出紅外輻射，當(dāng)傳感器下沒有鰻魚聚集時(shí)，紅外輻射被水吸收，因此傳感器檢測到的反射信號很少。如圖2所示，使用數(shù)據(jù)記錄器記錄提供給饋電電機(jī)的電壓。該電壓信號是饋線開/關(guān)狀態(tài)的指示。光電傳感器每隔30 s的累積脈沖信號也被發(fā)送到數(shù)據(jù)記錄器并記錄下來。數(shù)據(jù)記錄器僅用于收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不包括在控制系統(tǒng)中。

2 結(jié)果和討論

表1列出了控制策略中包含的六個(gè)控制參數(shù)的默認(rèn)值和可調(diào)范圍。第一個(gè)參數(shù)稱為“檢測開始前的等待時(shí)間”，是設(shè)計(jì)用于在喂食開始時(shí)允許鰻魚在喂食器下方聚集的參數(shù)。它代表喂食開始后魚的反應(yīng)時(shí)間。如圖3所示，這是收集鰻魚使反射信號達(dá)到第一峰值之前的過渡階段。2 m×2 m飼喂箱需要6～8 min。對于更大的儲罐，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該更長。第一個(gè)參數(shù)的默認(rèn)值和可調(diào)范圍分別為5 min和0～9 min。

第二和第三參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的。第二個(gè)參數(shù)稱為“閾值”，旨在避免對收集行為的錯(cuò)誤解釋。使用的數(shù)值應(yīng)該能夠區(qū)分鰻魚的聚集和非聚集行為。傳感器可能會接收到一些返回信號，這些信號是由在傳感器下游動的幾條魚或一些未被吃掉的漂浮飼料反射的。當(dāng)每個(gè)檢測周期的累積反射信號的值小于默認(rèn)值時(shí)，它被記錄為已經(jīng)發(fā)生的一個(gè)非活動周期。僅記錄在第三個(gè)參數(shù)定義的檢測周期內(nèi)超過閾值的計(jì)數(shù)值。如圖3所示，在第一個(gè)和最后一個(gè)峰值之間，計(jì)數(shù)器每30 s接收大約120～220個(gè)脈沖信號。第二個(gè)參數(shù)的默認(rèn)值和可調(diào)范圍分別為100次計(jì)數(shù)和0～999次計(jì)數(shù)。

第三個(gè)參數(shù)稱為“檢測周期”，是計(jì)數(shù)器用來將收集行為觸發(fā)的計(jì)數(shù)相加的經(jīng)過時(shí)間。計(jì)數(shù)器將計(jì)算在該檢測周期內(nèi)接收的脈沖信號總數(shù)，并將最終數(shù)量報(bào)告給控制器和數(shù)據(jù)記錄器，然后在下一個(gè)檢測周期開始時(shí)將該值重置為零。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，“30 s”被用作檢測周期。第三個(gè)參數(shù)的默認(rèn)值和可調(diào)范圍分別為30 s和0～99 s。請注意，較長的檢測周期將導(dǎo)致較高的閾值，反之亦然。

第四個(gè)參數(shù)稱為 “允許的連續(xù)非活動期”，設(shè)計(jì)用于在停止進(jìn)料前進(jìn)行雙重檢查。只有當(dāng)進(jìn)料系統(tǒng)檢測到連續(xù)3次（默認(rèn)）不活動時(shí)，進(jìn)料系統(tǒng)才會停止。這可以防止控制器因錯(cuò)誤警報(bào)而停止進(jìn)料循環(huán)。第四個(gè)參數(shù)的默認(rèn)值和可調(diào)范圍分別為3次和1～9次。

表1 控制策略中包含的控制參數(shù)、默認(rèn)值和可調(diào)范圍

第五和第六個(gè)參數(shù)是為了給鰻魚在整個(gè)進(jìn)食時(shí)間框架內(nèi)額外的進(jìn)食機(jī)會。在喂食時(shí)間范圍內(nèi)，在采取一些補(bǔ)救措施后，水質(zhì)有可能得到改善和/或魚的壓力得到緩解。第五個(gè)參數(shù)稱為“下一次喚醒時(shí)間”，定義了重試之間的時(shí)間間隔，即下一次試驗(yàn)進(jìn)料的等待時(shí)間，第六個(gè)參數(shù)稱為“允許的連續(xù)喚醒時(shí)間”，定義了試驗(yàn)進(jìn)料的總數(shù)。第五個(gè)參數(shù)的默認(rèn)值和可調(diào)范圍分別為3 min和0～999/min。第六個(gè)參數(shù)的默認(rèn)值和可調(diào)范圍分別為3次和0～3次。

如圖3所示，連續(xù)兩天在培養(yǎng)罐中進(jìn)行8次密封的總進(jìn)料時(shí)間為41～49 min。在總攝食時(shí)間內(nèi)，鰻魚的聚集需要6～8 min，這是從攝食開始到累積反射信號的第一個(gè)峰值所需的時(shí)間。鰻魚在喂食器下的聚集持續(xù)22～34 min，當(dāng)累積反射信號高于每30秒100次計(jì)數(shù)時(shí)可以顯示出來。當(dāng)有足夠的飼料時(shí)，鰻魚在吃完后向下游入水中，如累積反射信號在6～10 min降至零所示。圖4比較了料斗進(jìn)料中斷時(shí)的兩種控制系統(tǒng)?？捎玫倪M(jìn)料量僅持續(xù)28 min，但是舊系統(tǒng)保持運(yùn)行2 h，而當(dāng)可用的進(jìn)料被消耗時(shí)，改進(jìn)的系統(tǒng)可以關(guān)閉進(jìn)料器。

圖5 顯示了鰻魚處于壓力下時(shí)兩個(gè)控制系統(tǒng)之間的比較。舊系統(tǒng)無法檢測到這種情況，因此所有的飼料都被倒入水中。通常依靠現(xiàn)場工作人員的意識來關(guān)閉饋線。修改后的系統(tǒng)能夠檢測到這種情況，并在檢測到三個(gè)（用戶定義的）連續(xù)非活動周期后自動關(guān)閉進(jìn)料器。當(dāng)沒有工作人員時(shí)，此功能對最后一次投喂特別有用。

當(dāng)工作人員早上上班遲到時(shí)，料斗在進(jìn)料操作開始時(shí)將是空的。飼料不能及時(shí)輸送到料斗中，鰻魚的聚集直到接近上午9:00時(shí)才被檢測到，這是在食物加入料斗后不久。這揭示了現(xiàn)有的管理問題，也表明需要一個(gè)自動再填充系統(tǒng)。

3 結(jié)論

本研究中開發(fā)的控制系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)料器配備了光電傳感器，為控制器提供了反饋能力。該系統(tǒng)還配備了包含六個(gè)控制參數(shù)的控制策略，從而使其成為智能控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)可以檢測鰻魚的聚集或非聚集行為，并在水被污染之前相應(yīng)地確定停止喂食的決定。與其他進(jìn)料控制系統(tǒng)相比，該特性使該控制系統(tǒng)獨(dú)一無二。這一特性在成功的飼料管理中起著重要作用，尤其是在沒有工作人員值夜班的夜間。

本研究開發(fā)的改良飼養(yǎng)系統(tǒng)是為鰻魚養(yǎng)殖中使用漂浮飼料而設(shè)計(jì)的，在商業(yè)應(yīng)用中對其他魚類也有潛力。在實(shí)施之前，控制策略中使用的所有控制參數(shù)的默認(rèn)值都需要調(diào)整。這些默認(rèn)值因水箱尺寸、魚類類型、放養(yǎng)密度、傳感器安裝高度和傳感器傾斜角等而異。所有調(diào)節(jié)參數(shù)都可以用可編程控制器調(diào)節(jié)，無需更改編程代碼。