王廷軒 張欽玉

（1.濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261000；2.壽光市第一中學(xué)，山東 壽光 262700）

山東壽光市不僅是冬暖式蔬菜大棚的發(fā)祥地，以盛產(chǎn)無(wú)公害蔬菜聞名全國(guó)，而且壽光的北部具有遼闊的水域資源優(yōu)勢(shì)，形成了“南產(chǎn)蔬菜，北養(yǎng)魚(yú)蝦”的當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展模式。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，淡水養(yǎng)殖中魚(yú)、蝦病的發(fā)生越來(lái)越嚴(yán)重，使病原微生物的抗藥性也越來(lái)越強(qiáng)，有的病害導(dǎo)致池塘絕產(chǎn)，嚴(yán)重挫傷了水產(chǎn)養(yǎng)殖戶的積極性。為了解決家鄉(xiāng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的這一難題，研制水產(chǎn)養(yǎng)殖病害測(cè)診機(jī)器人并在實(shí)踐中應(yīng)用，可有效提高養(yǎng)殖魚(yú)、蝦的免疫力，達(dá)到預(yù)防為主的科學(xué)效果。提高魚(yú)、蝦的成活率達(dá)12.5-17.3%，魚(yú)單位面積提高產(chǎn)量82.1公斤，蝦單位面積提高產(chǎn)量56.1公斤，被當(dāng)?shù)厮a(chǎn)養(yǎng)殖戶稱為“水產(chǎn)大夫”。

1 主要研究思路

1）利用智能化信息處理系統(tǒng)代替人們?cè)谒凶杂蛇M(jìn)行水環(huán)境指標(biāo)的智能化檢測(cè)和對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的生理狀態(tài)診治。

2）運(yùn)用溫度傳感器、溶氧度傳感器、pH值傳感器等智能化系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì)環(huán)境的隨機(jī)抽樣檢測(cè)。

3）利用太陽(yáng)能電源為淡水養(yǎng)殖病害診治機(jī)器人提供能量，節(jié)能環(huán)保。

4）通過(guò)編程設(shè)計(jì)，控制機(jī)器人在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中進(jìn)行各項(xiàng)功能系統(tǒng)的運(yùn)行。

2 淡水養(yǎng)殖病害測(cè)診機(jī)器人的主要研制內(nèi)容

2.1 能源供應(yīng)系統(tǒng)

能源是水產(chǎn)養(yǎng)殖病害測(cè)診機(jī)器人的動(dòng)力，機(jī)器人的智能行走和升降系統(tǒng)、水環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、臭氧殺菌系統(tǒng)等多項(xiàng)功能的運(yùn)行需要大量的能源?？紴V水中環(huán)境復(fù)雜，能使其長(zhǎng)時(shí)間工作，因此除了安裝我們自己制作的的高儲(chǔ)能電池，還為了節(jié)約能源和提倡環(huán)保，我們利用太陽(yáng)能電池板的電能作為淡水養(yǎng)殖病害測(cè)診機(jī)器人的能源，通過(guò)充電系統(tǒng)為病害診治機(jī)器人進(jìn)行能源儲(chǔ)存，在水中為系統(tǒng)的運(yùn)行提供充足的動(dòng)力。

機(jī)器人的能源系統(tǒng)是太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)高能電池存儲(chǔ)能量，當(dāng)機(jī)器人電量不足時(shí)，導(dǎo)航運(yùn)行系統(tǒng)再控制機(jī)器人回到充電地點(diǎn)，自動(dòng)完成充電對(duì)接，充電完畢后，機(jī)器人可繼續(xù)執(zhí)行上次未完成的任務(wù)。

2.2 控制系統(tǒng)

水產(chǎn)養(yǎng)殖病害測(cè)診機(jī)器人的主控制器包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部分，在制作水產(chǎn)養(yǎng)殖病害測(cè)診機(jī)器人的控制系統(tǒng)時(shí)，由于機(jī)器人主要在水中完成多項(xiàng)功能的運(yùn)行，主控制系統(tǒng)我們選取功能齊全、可靠、集成度高的MC68HC908AP64微處理器；總線工作頻率8M,64k flash存儲(chǔ)器,8路10bit模擬輸入口，4路timer輸入,8位數(shù)據(jù)總線，一個(gè)普通SCI端口,一個(gè)紅外SCI端口,一個(gè)SPI端口,一個(gè)通用并行I/O端口，具備中斷和多種復(fù)位方式。該單片及功能強(qiáng)大，擴(kuò)展能力豐富，通過(guò)其他邏輯芯片的擴(kuò)展了5各數(shù)字量輸入端口，5個(gè)模擬量輸入端口和4個(gè)擴(kuò)展槽。

該單片機(jī)內(nèi)部集成了存儲(chǔ)器，不用擴(kuò)展存儲(chǔ)器，我們可以寫(xiě)入機(jī)器人程序；64k flash存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量較大，適宜于我們根據(jù)機(jī)器人的不同任務(wù)更換不同的執(zhí)行程序。

該機(jī)器人的很多功能模塊是基于這些通訊端口的，例如釋放臭氧模塊、無(wú)線通訊模塊、環(huán)境檢測(cè)模塊等。

在軟件編程研究中，我們應(yīng)用MOTOROLA軟件，它可通過(guò)編寫(xiě)C語(yǔ)言程序來(lái)開(kāi)發(fā)高層應(yīng)用軟件。

2.3 導(dǎo)航系統(tǒng)

（1）導(dǎo)航系統(tǒng)

水產(chǎn)養(yǎng)殖病害測(cè)診機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)由數(shù)字指南針、角度傳感器等部分組成。在導(dǎo)航方式上，我們使用設(shè)定航線行走的方式。即在機(jī)器人需要工作的路徑上，在水中預(yù)先設(shè)計(jì)軌跡線路，機(jī)器人在行走時(shí)將通過(guò)調(diào)整角度方向，使機(jī)器人在池塘中按照設(shè)定路線行進(jìn)，完成對(duì)水環(huán)境和養(yǎng)殖動(dòng)物的行走檢測(cè)和定時(shí)觀察。另外，在機(jī)器人的內(nèi)部安裝一個(gè)數(shù)字指南針，它的主要作用是矯正機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。

（2）行進(jìn)升降系統(tǒng)

機(jī)器人的行進(jìn)系統(tǒng)主要是控制機(jī)器人在水中進(jìn)行前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，機(jī)器人的前進(jìn)是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的信息指令，推動(dòng)機(jī)器人在水中向前行走和停止。通過(guò)角度傳感器，控制機(jī)器人在行進(jìn)中的轉(zhuǎn)彎方向。另外，在機(jī)器人的體內(nèi)還安裝有一個(gè)升降器，當(dāng)選定在池塘的某一位置讓機(jī)器人進(jìn)行一定時(shí)間的病情觀察時(shí)，機(jī)器人將會(huì)停在設(shè)定位置，通過(guò)升降系統(tǒng)將病害測(cè)診系統(tǒng)固定在一定位置進(jìn)行觀測(cè)，然后將觀測(cè)后的信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。

2.4 水產(chǎn)病害測(cè)診系統(tǒng)

淡水養(yǎng)殖魚(yú)或蝦的生長(zhǎng)過(guò)程中避免不了受到各種病原微生物的侵害，受到病原微生物侵害的水產(chǎn)品，會(huì)表現(xiàn)出系列的臨床特征，如病魚(yú)體表不光滑，體色發(fā)黑，鱗片不完整有脫落，鰭條末端腐爛，身體有些部位充血、腐爛，眼睛突出，有些眼睛渾濁，體表有寄生蟲(chóng)，正常魚(yú)鰓蓋閉合，病魚(yú)鰓蓋張開(kāi)，鰓腔內(nèi)有淤泥，鰓蓋表皮腐爛，粘液增多等特征。機(jī)器人利用視覺(jué)系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)病時(shí)狀態(tài)的變化，將信息傳輸?shù)教卣鳈谏线M(jìn)行信息處理，診斷出發(fā)生病蟲(chóng)害的類(lèi)型，確定實(shí)施不同的預(yù)防治療方案。當(dāng)水產(chǎn)動(dòng)物在水中發(fā)生細(xì)菌、真菌和病毒等病害時(shí)，機(jī)器人跟蹤病殘魚(yú)體進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有病變特征時(shí)，通過(guò)識(shí)別確認(rèn)，機(jī)器人將自動(dòng)更換不同方式，進(jìn)行病害的防治。

2.5 臭氧滅菌系統(tǒng)

在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中，由于魚(yú)、蝦在水中的生長(zhǎng)代謝，避免不了在水中會(huì)產(chǎn)生大量細(xì)菌、真菌、病毒、寄生蟲(chóng)等病原微生物，由于長(zhǎng)期使用化學(xué)性藥物，水中的多種微生物對(duì)化學(xué)藥物容易產(chǎn)生抗藥性，當(dāng)水中發(fā)生真菌、細(xì)菌、病毒等動(dòng)物病害時(shí)，機(jī)器人可利用臭氧滅菌系統(tǒng)產(chǎn)生臭氧，對(duì)水中的病原微生物進(jìn)行防治。臭氧發(fā)生器的原理是機(jī)器人控制臭氧管的高壓放電，使氧氧雙鍵斷裂生成臭氧，臭氧溶于水形成臭氧水。

臭氧是一種很強(qiáng)的氧化劑，能直接氧化分解病原微生物內(nèi)部氧化葡萄糖所必需的酶,從而破壞細(xì)胞膜將細(xì)菌殺死,一定濃度的臭氧還可迅速殺滅頑固致病性的真菌、細(xì)菌，并且在水中和水產(chǎn)品中不存在任何殘留物,沒(méi)有二次污染。

2.6 水環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)

在淡水養(yǎng)殖過(guò)程中，病害是一定的病原微生物，在一定的水環(huán)境條件下發(fā)生的。淡水養(yǎng)殖的水環(huán)境主要包括自然因素、人為因素和生物因素。運(yùn)用淡水養(yǎng)殖病害診治機(jī)器人可通過(guò)系列的信息傳感器，及早檢測(cè)池塘水環(huán)境的溫度、PH值、溶氧度、有害氣體、寄生蟲(chóng)等數(shù)據(jù)可以通過(guò)無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)傳輸?shù)絇C機(jī)，通過(guò)PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，進(jìn)行科學(xué)養(yǎng)殖和管理。

（1）水溫檢測(cè)傳感器：水溫不適，可使魚(yú)體皮膚異常，影響抵抗力，導(dǎo)致各種疾病的發(fā)生，水產(chǎn)養(yǎng)殖在不同的發(fā)育階段，對(duì)水溫也有一定的要求。

（2）溶氧檢測(cè)傳感器：淡水養(yǎng)殖種類(lèi)、年齡的不同，對(duì)溶氧的要求也不同，正常的溶氧度為4-14毫克/升，溶氧度低于3毫克/升，魚(yú)會(huì)出現(xiàn)浮頭現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)窒息死亡。若水中溶氧度過(guò)高，超過(guò)14毫克/升，魚(yú)又會(huì)患“氣泡病”。

（3）水質(zhì)檢測(cè)傳感器：水體中的PH值、氨、氮、硫化氫和氯氣等含量發(fā)生較大的變化。這些有害氣體和物質(zhì)集聚到一定數(shù)量后，水質(zhì)惡化，會(huì)導(dǎo)致病原微生物的繁殖。

（4）放養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器：放養(yǎng)密度不當(dāng)和比例不合理，會(huì)導(dǎo)致餌料不足，營(yíng)養(yǎng)不良，抵抗力減弱。

另外，在機(jī)器人的升降系統(tǒng)部分還加裝了一個(gè)圖像云臺(tái)，機(jī)器人在行走過(guò)程中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)不斷掃描淡水養(yǎng)殖的的生長(zhǎng)狀況，并把圖像傳回控制中心。

3 試驗(yàn)效果

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)淡水養(yǎng)殖病害診治機(jī)器人應(yīng)用效果，我們分別在家鄉(xiāng)附近的養(yǎng)魚(yú)場(chǎng)、養(yǎng)蝦場(chǎng)進(jìn)行了不同地點(diǎn)的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：

表1 淡水養(yǎng)殖病害診治機(jī)器人在養(yǎng)魚(yú)場(chǎng)的對(duì)比應(yīng)用效果（鰱魚(yú)）

表2 病害診治機(jī)器人在養(yǎng)蝦場(chǎng)的對(duì)比應(yīng)用效果（對(duì)蝦）

試驗(yàn)表明，應(yīng)用病害診治機(jī)器人進(jìn)行淡水養(yǎng)殖，不僅提高池塘中的成活率，增高單位面積的產(chǎn)量，還通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)檢測(cè)，能提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的產(chǎn)品蛋白含量，減少水產(chǎn)品的藥物殘留。