水产养殖业的移动式智能增氧鱼的设计

张子璐 胡潇予

摘要：本课题设计一种水产养殖业的可移动式智能供氧设备，使其能够采用超声波测距使增氧机向目标方向移动，能够及时、准确、高效地对水下缺氧部分实施增氧并且实现了全自动化检测，减少人力等优点，增强了水产养殖增氧的效率，提高了水产业的产量，保障了水产生物的健康生长。

关键词：水产养殖；移动式；智能；供氧设备

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）20-0205-03

The Design of Mobile Intelligent Aerobic Fish in Aquaculture Industry

ZHANG Zi-lu， HU Xiao-yu

（Suqian College， Suqian 223800， China）

Abstract： This topic design a kind of portable intelligent aquaculture oxygen equipment， adopting the ultrasonic ranging to aerator to target direction， can be timely and accurate and efficient for underwater part hypoxia increases the oxygen and realized the automatic detection， the advantages of reducing human， enhance the efficiency of aquaculture aerobic， improved the production of aquaculture， to ensure the healthy growth of aquatic organisms.

Key words： Aquaculture； Portable； Intelligent； Oxygen equipment

我国发展淡水养殖具有十分优越的客观条件，国内淡水水面居世界之首，江河、湖泊、水库、塘池遍布全中国，并且我国大部分处于温带和亚热带地区，气候温暖，雨量充裕，水质肥沃，饵料丰富，鱼类资源丰富，为我国淡水养殖提供了一个很好的条件。

随着养殖面积的不断扩大，单位面积产量提高，养鱼机械已成为淡水养殖中不可缺少的部分。但是，我国科学技术起步较晚，虽然有了一些相应的设备，但是还是会出现一些问题。另外当水中的含氧量不足时，就不能保证鱼群的正常生活，这就要补充氧气。

水中的含氧量的高低直接影响鱼类的摄食、生长和饲料利用率，乃至影响鱼类的生存。当水中的含氧量在3mg/L以上时，鱼类才可以正常生活；其中，当2mg/L时，就会影响一些鱼类的生活；但是当含氧量在1mg/L时，鱼类就会感到呼吸困难，甚至出现了浮头的现象。鱼的摄食量也与氧含量有直接的关系。但是，水的溶解不是无限的，温度越低氧的饱和溶解量越高，温度越高，氧的饱和溶解量越低。国内外实践证明，在水产养殖中采用增氧技术，可以对养鱼业产生巨大的幫助。所以，我们可以主要以3mg/L作为池水中含氧量为安全浓度，将2mg/L作为警戒浓度，将1mg/L作为危险浓度。

现在国内外实现了鱼塘增氧机的自动控制，主要有两种形式：一是控制增氧机运行时间的自动控制电路，就是每到夜间或阴雨天，自动开启增氧机；二是，采用编码解码无线收发组件进行信号的传输，将采集的信号进行处理，去控制增氧机的开启，能达到自动化的目的。然而，他们都有弊端，第一种不能全天候随时随地进行监控，效果不是很好，第二种虽然可以全天候的检测，但是系统比较复杂，可靠性不好。

1 总体设计

该智能化可移动式水下供氧设备以AVR单片机为核心，并结合溶解氧传感器、超声波测距离传感器 、移动平台、信号调理单元、无线射频模块以及声光报警电路和RS232 接口电路等部分组成。以下内容将介绍该设备的主要硬件部分与软件部分。

2 两大部分

2.1 主要硬件部分

1） 数据采集模块

本系统使用瑞士 Hamilton 公司的溶解氧电极检测鱼塘中水的含氧量。该电极有一个内置的 22k的温度补偿电阻。极化和反应时间极短。可以精确地检测到水中的含氧量传感器，它是美国 DALLAS 公司推出的一种可组网数字式温度传感器。 采用 1-Wire 总线接口。测温范围为-55～+125℃精度可达 0.0675℃。最大转换时间为 200 ms传感器输出的溶解氧和 温度送入一调整电路。调理电路将各种传感器的输出信号调理到适于 A/D 转换的范围0～5V。再通过多路 A/D 转换器转换为数字量。分时传送给单片机。

2） 报警模块

AVR 单片机接收标准的 0～5V 信号。利用片内的12位 A/D 转换器做 A/D 转换。并把转换的结果 与设定值进行比较。如果数据高于或者低于设定值。则启动报警单元。

3） RS232 接口电路模块

通过 RS232 接口电路，系统将能够与增氧机进行通信。将测量的溶氧量实时地传向增氧机。

4）增氧控制模块

增氧机驱动控制模块如图1 所示，主要由光电耦合器和可控硅组成。本系统通过对水体溶解氧含量的实时检测。将当前溶氧量与设定参数进行比较。再经 AVR单片机的处理。通过单片机发出的控制信号经驱动器后控制光电耦合器。当光电耦合器工作时。可控硅的触发极处于高电平。可控硅处于导通状态。进而控制增氧机工作而使用光电耦合器有效地降低了外部干扰对系统的影响。进一步增强了系统的可靠性。

5）移动平台

本设备通过电力液压推动器来推动增氧机移动，并在增氧机体内安装电力排风扇来进行水下增氧，并通过超声波测距来控制增氧机的移动，如图2所示，为增氧机示意图。

2.2主要软件部分

鱼塘溶解氧自动监控系统软件采用模块化设计，程序由 C 语言编写而成，便于今后进一步扩展系统的功能，系统主程序流程图如图3所示，程序将接受各硬件传递来的数据，并计算与信号源之间的距离，通过调节驱动来靠近信号源，待到达位置确定后，开启增氧机，并标记信号源，在信号消失之前，不考虑其他信号源

当增氧机开启（一小时）后，若信号源还未消失，则会发出声音提示人员检查。

当有多处信号显示氧气浓度较低时，将会自动规路径，采用Dijkstra算法选取最短路径。当已有路径的情况下，接收到新信号后将重新规划路径。

3创新特色概述

采用超声波测距使增氧机向目标方向移动；能够及时、准确、高效地对水下缺氧部分实施增氧；实现了全自动化检测，减少人力。

① 项目集合了氧容量传感器的信息采集技术、信号放大技术、水下超声波测距技术、数据采集和传输技术等多种学科的最新成果；

② 具有一定STM32F407单片机数据采集开发经验，熟悉单片机系统软硬件开发过程；

③ 掌握采用Dijkstra算法选取最短路径的方法，通过超声波测距确定目标点，得出最优路线，使增氧机能够按照规定的路线运作。

④ 树莓派应用开发技术：Raspberry Pi（中文名为“树莓派”）是只有信用卡大小的卡片式电脑，其系统基于Linux。树莓派拥有GPIO接口，正因为有GPIO，树莓派开启了一扇大门，许许多多的想法都能实现，比如控制LED、继电器、电机、传感器……有了这些基本构建，就能组成复杂的系统。

微信硬件平台开发技术： 基于微信公众平台，我们推出了微信硬件平台。通过平台规定的连接协议，各种智能设备如蓝牙设备、WIFI 设备和其他移动网络设备都能方便地接入微信，完成设备与服务的连接。

4 研究技术路线

4.1 水下超声波测距技术

1）提供超声波换能器的发射脉冲信号并发射超声波；

2）接收超声波换能器的回波信号并进行分析处理；

3）计算及显示被测距离。

4.2 光电耦合技术

增氧机驱动控制模块主要由光电耦合器和可控硅组成，本系统通过对水体溶解氧含量的实时检测，将当前溶氧量与设定参数进行比较，再经 STM32F407单片机的处理，通过单片机发出的控制信号经驱动器后控制光电耦合器，当光电耦合器工作时，可控硅的触发极处于高电平，可控硅处于导通状态，进而控制增氧机工作。而使用光电耦合器有效地降低了外部干扰对系统的影响，进一步增强了系统的可靠性。

4.3 溶氧量传感器

本系统使用溶解氧电极检测鱼塘中水的含氧量， 该电极有一个内置的22kΩ 的温度补偿电阻，极化和反应时间极短，可以精确地检测到水中的含氧量。 温度传感器用数字式温度传感器 DS18B20，它是一种可组网数字式温度传感器，采用 1-Wire 总线接口，测温范围为-55～+125℃，精度可达 0.0675℃，最大转换时间为 200 ms，传感器输出的溶解氧和温度送入一调整电路，调理电路将各种传感器的输 出信号调理到适于 A/D 转换的范围（0～5V），再通 过多路 A/D 转换器（TLC2453）转换为数字量，分时传送给单片机。

5 市场营销策略

新型智能可移动式增氧机计划打造自己的独有品牌，并能够在水产养殖业有所建树，通过产品文化和品牌文化的發展，提升品牌的附加值。

“我们将给你无限智能帮助”。新型智能可移动式增氧机致力于人类优秀文明的发扬和传承，他通过STM32F407控制增氧机，用Android实现路线规划、实时监控、定点推送，GPS导航路线，太阳能板自动充电，实现了自动、智能、全方面监控，大大减少了人力、财力的投入。

我们相信：兼顾实用和人文价值的产品一定会得到用户的认可。在发展品牌文化的同时，注重产品的升级，提高自身竞争力。视开发项目开发进度和组织运营状态打造一系列全自动增氧计划，如全天候检测，定点增氧，太阳能蓄电等。将深海增氧作为未来发展方向，投入到水产养殖的建设发展中，获得企业融资或政府订单，实现持续发展。

6 结论

通过机电制造厂联系生产，进行批量生产，先试点投入一些大型水产养殖业，先获得他们的认可；然后我们不断革新技术、降低成本、进一步大量生产，推广到所有的小型水产养殖中去；在此期间我们可以通过多方面宣传，例如：广告、微信平台、QQ平台等。除此之外，本产品的App可以推广到手机应用商店里，当购买产品产品时安装获得序列码。通过两个方面扩大宣传，投入到所有淡水养殖业中。最后，在不断地技术革新中，最后投入到深海养殖业中。

参考文献：

[1] Zhongwei Jiang， Samjin Choi. A cardiac sound characteristic waveform method for in-home heart disorder monitoring with electric stethoscope[J]. Expert Systems with Applications， 2016， 31： 286-298.

[2] 王晓燕， 曾庆宁， 粟秀尹. 基于PCA和HMM的自动识别系统[J]. 计算机工程， 2012， 38（20）： 148-151.

[3] 张孝桂， 何为， 周静等. 基于嵌入式系统的便携式的研究[J]. 仪器仪表学报， 2007， 28（2） ：303-307.

[4] Taikang Ning， James Ning， Nikolay Atanasov，et al.A Fast Heart Sounds Detection and Heart Murmur Classification Algorithm[C]. Proceedings of 2012 IEEE 11th International Conference on Signal Processing， Beijing： IEEE Beijing Section， 2012. 1629-1632.

[5] 肖正安. 基音周期检测ACF算法及MATLAB仿真[J]. 湖北第二师范学院学报， 2011， 28（2）： 86-88.

[6] 杨森斌， 陈砚圃， 李真. 一种改进的自相关函数基音检测算法[J]. 现代电子技术， 2008（09）： 135-137.