適用于物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)的自動(dòng)升降型鮑魚養(yǎng)殖平臺(tái)設(shè)計(jì)

邢博聞，李月，馮江偉

（上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306）

鮑魚作為一種商品化的高端水產(chǎn)品，其肉質(zhì)爽脆柔滑，肉味清香鮮美，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值。目前，我國鮑魚年產(chǎn)量全球占比高達(dá)90%以上，中國是世界第一產(chǎn)鮑大國，鮑魚養(yǎng)殖業(yè)已成為中國水產(chǎn)行業(yè)重要經(jīng)濟(jì)支柱之一[1]。常規(guī)的養(yǎng)殖方法包括工廠化養(yǎng)殖、挖渠養(yǎng)殖及海水養(yǎng)殖3 種，因海水養(yǎng)殖可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖規(guī)模廣、成活率高、生長率高等目標(biāo)，故被廣泛應(yīng)用于我國沿海水域。然而，人工養(yǎng)殖鮑魚大多為近海沉箱養(yǎng)殖[2]，每次投餌均需要人工把網(wǎng)箱從海水中一組一組拖出，分別進(jìn)行投喂，工作量十分巨大，浪費(fèi)大量人力、物力資源。由于人的力量有限，這也就決定了單組網(wǎng)箱的個(gè)數(shù)十分有限，從而影響鮑魚養(yǎng)殖的整體數(shù)量，使單位體積海域的綜合利用率不高，難以滿足高效的鮑魚養(yǎng)殖需求，造成海洋資源的浪費(fèi)。

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，鮑魚養(yǎng)殖業(yè)在海域利用競(jìng)爭中處于劣勢(shì)，海上適養(yǎng)空間越來越小，而鮑魚自身的生態(tài)特點(diǎn)又使得新的養(yǎng)殖空間尤其是外?？臻g的拓展非常艱難，故提高海域養(yǎng)殖區(qū)域的利用率成為解決養(yǎng)殖區(qū)域不足的關(guān)鍵。然而傳統(tǒng)鮑魚養(yǎng)殖中存在難以解決的高深度[3]和高密度養(yǎng)殖的問題，導(dǎo)致養(yǎng)殖效率低，可利用海洋養(yǎng)殖區(qū)域資源逐漸減少。為此，如何在網(wǎng)箱提升過程使用自動(dòng)化設(shè)備替代人工作業(yè)，并實(shí)現(xiàn)高密度養(yǎng)殖，提升海洋資源綜合利用率成為了一個(gè)亟待解決的問題。

針對(duì)沉箱養(yǎng)殖造成的工作效率低、人力資源浪費(fèi)、單位體積海域的綜合利用效率低等問題，提出一種自動(dòng)升降型鮑魚養(yǎng)殖平臺(tái)，利用簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)原理等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)箱的自動(dòng)升降。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，提出的鮑魚養(yǎng)殖平臺(tái)設(shè)置有養(yǎng)殖支架結(jié)構(gòu)、升降控制系統(tǒng)及主控系統(tǒng)，且設(shè)有太陽能板、控制器、增氧機(jī)，實(shí)現(xiàn)太陽能供電、自動(dòng)控制養(yǎng)殖網(wǎng)箱升降、實(shí)時(shí)供氧，充分利用海域養(yǎng)殖空間資源[4]，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，減少人力資源浪費(fèi)，最終實(shí)現(xiàn)鮑魚的多網(wǎng)箱高深度高密度養(yǎng)殖。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)升降型鮑魚養(yǎng)殖平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括支架1、浮體2、網(wǎng)箱組3、步進(jìn)電機(jī)4 和平臺(tái)控制器5。支架1 固定安裝在浮體2 兩側(cè)，且支架1 截面為三角形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)箱組3 設(shè)置在浮體2 上表面，網(wǎng)箱組3 上設(shè)有網(wǎng)箱蓋6，浮體2 表面設(shè)有作業(yè)通道7，且設(shè)有增氧機(jī)15 以及太陽能電池板17，增氧機(jī)15 通過輸氧管16 連通網(wǎng)箱組3，太陽能電池板17固定安裝在浮體2 一側(cè)，兩個(gè)支架1 頂部之間安裝有轉(zhuǎn)軸8，轉(zhuǎn)軸8 上安裝有兩組鏈輪9，轉(zhuǎn)軸8 一端連接步進(jìn)電機(jī)4，另一端連接變速箱10，手動(dòng)控制搖輪18 連接于變速箱10，步進(jìn)電機(jī)4 連接平臺(tái)控制器5，平臺(tái)控制器5 連接主控系統(tǒng)11，步進(jìn)電機(jī)4通過電纜線12 連接電源13，電源13 上固定設(shè)有緊急停電按鈕14。

其中，平臺(tái)控制器結(jié)構(gòu)5 上設(shè)置有上升控制鍵、下降控制鍵和停止鍵，在日常對(duì)鮑魚進(jìn)行投喂或收獲等工作時(shí)，工作人員只需按下平臺(tái)控制器上的上升控制鍵或下降控制鍵，網(wǎng)箱組在鏈輪的帶動(dòng)下即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的上升或下降運(yùn)動(dòng)。當(dāng)網(wǎng)箱組運(yùn)動(dòng)到所需工作高度時(shí)，工作人員只需再按下停止鍵，網(wǎng)箱即可停止到當(dāng)前位置。

圖1 自動(dòng)升降型鮑魚養(yǎng)殖平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

飼養(yǎng)人員在作業(yè)通道上對(duì)鮑魚進(jìn)行投喂或收獲等工作時(shí)，只需按下控制器面板上的UP 鍵或DOWN 鍵，網(wǎng)箱組在鏈輪的帶動(dòng)下即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的上升或下降運(yùn)動(dòng)，當(dāng)網(wǎng)箱組運(yùn)動(dòng)到所需工作高度時(shí)，工作人員只需再按下STOP 鍵，網(wǎng)箱即可停止到當(dāng)前位置，從而便于進(jìn)行人工投喂或收獲工作。網(wǎng)箱蓋可從外側(cè)打開，便于工作人員在作業(yè)通道上對(duì)鮑魚開展投喂或收獲等工作。其中，控制器可以為有線控制，線路為螺旋式彈性導(dǎo)線，當(dāng)導(dǎo)線全部被拉直時(shí)，其長度剛好到達(dá)作業(yè)通道的最遠(yuǎn)位置。當(dāng)平臺(tái)控制器發(fā)出升降指令后，由主控系統(tǒng)進(jìn)行采集并匯總，當(dāng)所有條件均具備時(shí)，主控系統(tǒng)以脈沖的方式傳遞給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)接收到信號(hào)后就會(huì)做出相應(yīng)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速箱傳遞給轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)鏈輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鮑魚網(wǎng)箱在鏈條的拉動(dòng)下即可在工作位以上和工作位以下區(qū)間執(zhí)行升降命令。

控制系統(tǒng)中設(shè)置的手動(dòng)控制搖輪連接變速箱，在意外停電或因突發(fā)狀況通過緊急停電按鈕對(duì)平臺(tái)進(jìn)行斷電后，工作人員仍可通過搖動(dòng)手動(dòng)搖輪驅(qū)動(dòng)變速箱帶動(dòng)鮑魚網(wǎng)箱執(zhí)行升降操作，保障升降系統(tǒng)正常運(yùn)行。

浮體表面設(shè)置有增氧機(jī)，增氧機(jī)通過輸氧管連通網(wǎng)箱組，采用此結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水下網(wǎng)箱進(jìn)行實(shí)時(shí)供氧[5]，實(shí)現(xiàn)鮑魚的多網(wǎng)箱高密度養(yǎng)殖。固定安裝在浮體一側(cè)的太陽能電池板，為整個(gè)裝置提供電源，從而能夠大大地節(jié)省電能。

2 控制系統(tǒng)

自動(dòng)升降型鮑魚養(yǎng)殖平臺(tái)搭載的主控系統(tǒng)，根據(jù)控制原理，利用簡單的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多網(wǎng)箱高度位置的判斷，并提供脈沖信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鮑魚養(yǎng)殖網(wǎng)箱的升降控制，減輕人力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高深度的多網(wǎng)箱分布格局，從而提高單位體積海洋利用率，最終實(shí)現(xiàn)高效率養(yǎng)殖目標(biāo)。自動(dòng)升降型鮑魚養(yǎng)殖平臺(tái)的控制系統(tǒng)如圖2 所示，其操作流程如下：

（1）操作人員操控平臺(tái)控制器發(fā)出升降指令，該指令包括上升、下降或停止；完成后進(jìn)入步驟（2）；

（2）主控系統(tǒng)檢測(cè)供電條件是否具備，若具備，完成后進(jìn)入步驟（3），否則進(jìn)入步驟（7）；

（3）供電條件具備后，主控系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，控制電機(jī)完成對(duì)應(yīng)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，完成后進(jìn)入步驟（4）；

（4）主控系統(tǒng)判斷邏輯位置是否正確，該邏輯位置包括工作面以上和工作面以下的每一層網(wǎng)箱位置；若已到達(dá)預(yù)定位置，完成后進(jìn)入步驟（5）；

（5）當(dāng)邏輯位置正確，鮑魚網(wǎng)箱運(yùn)行到預(yù)定位置后，進(jìn)行剎車，整個(gè)平臺(tái)停止運(yùn)行，完成后進(jìn)入步驟（6）；

（6）平臺(tái)運(yùn)行結(jié)束，工作人員進(jìn)行投喂或收獲等工作；

（7）若供電條件不具備，平臺(tái)無法進(jìn)行電路控制，工作人員搖動(dòng)手動(dòng)控制搖輪對(duì)平臺(tái)進(jìn)行機(jī)械驅(qū)動(dòng)，完成后進(jìn)入步驟（8）；

（8）工作人員判斷邏輯位置是否正確，該邏輯位置包括工作面以上和工作面以下的每一層網(wǎng)箱位置；若已到達(dá)預(yù)定位置，完成后進(jìn)入步驟（5），否則返回步驟（7）。

圖2 控制系統(tǒng)操作流程圖

3 結(jié)語

綜上所述，該文涉及的自動(dòng)升降型鮑魚養(yǎng)殖平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)原理簡單、操作方便的特點(diǎn)。所介紹的自動(dòng)升降型鮑魚養(yǎng)殖平臺(tái)的工作流程及其控制方式，能夠節(jié)省大量人力、物力資源，高效合理地利用單位體積的海洋養(yǎng)殖區(qū)域，提高鮑魚的養(yǎng)殖效率。相對(duì)于傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式，此種養(yǎng)殖方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)多網(wǎng)箱的升降控制，達(dá)到最優(yōu)質(zhì)的控制效果，解決了傳統(tǒng)鮑魚養(yǎng)殖中難以實(shí)現(xiàn)高深度和高密度養(yǎng)殖的問題。