胡海剛，唐 潮，張林偉，張 剛,錢云霞

基于升降套筒體積調整的海蟹養(yǎng)殖定量投餌機設計

胡海剛1，唐 潮1，張林偉2，張 剛1,錢云霞3

（1. 寧波大學海運學院，寧波 315211；2. 寧波城市職業(yè)技術學院，寧波 315100；3. 寧波大學海洋學院，寧波 315211）

為滿足工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的需要，該文通過觸摸屏后端控制單片機升降套筒調整體積定量設計了一套自動投餌機，克服了常用稱重法的精度易受振動影響、行走式投餌設備稱質量和行走不能同時進行的缺點，在保證性能的同時簡化了結構、提高了效率。對系統(tǒng)投餌精度性能測試結果表明：該系統(tǒng)能夠定時完成啟停和控制過程，在設定投餌量在5～7 g/次時，誤差控制在8%以內；設定投餌量在9～13 g時，誤差不超過4%，可以滿足工廠化海產養(yǎng)殖的需求。該研究可為今后海蟹類單筐養(yǎng)殖科學化、智能化提供參考價值。

水產養(yǎng)殖；設計；工廠化循環(huán)水；投餌機；自動投餌

0 引 言

近年來，中國水產養(yǎng)殖業(yè)逐漸從傳統(tǒng)的粗放養(yǎng)殖發(fā)展到工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖[1-3]。節(jié)水節(jié)地的集約化養(yǎng)殖模式給人工投喂方式帶來了挑戰(zhàn)，其投餌量憑養(yǎng)殖戶經驗確定，不能根據(jù)螃蟹的攝食量和體質量相應變化[4-5]，極易造成餌料浪費，增加了養(yǎng)殖成本，同時殘餌導致養(yǎng)殖水環(huán)境惡化、病害發(fā)生機率增加，更直接損害消費者的生命健康[6-8]。再加上城市化的進程加快，勞動力價格劇增，實現(xiàn)餌料的定量自動投喂成為發(fā)展的必然趨勢[9]。

體積法定量的原理是將餌料的密度近似為定值，當餌料充滿設定容積時便可換算為對應的餌料質量[10]。國外智能化投餌起步較早[11]，也已經實現(xiàn)了餌料投放方面的數(shù)量控制[12-13]，如美國ETI公司的oFEEDMASTER 自動投餌系統(tǒng)[14]和上世紀九十年代日本開發(fā)的YDF系列定量投飼機[15]，定量部分由打有通孔（或氣密腔室）的旋轉盤在電機的驅動下進行回轉運動，先后聯(lián)通下料口和散料口實現(xiàn)定量投餌。該裝置可以通過控制轉速實現(xiàn)有級變量，但旋轉盤與上下端面接觸面積較大，加工精度高，成本高。

國內學者也對投餌設備進行了研究，有學者采用稱重的方法確保定量[16-17]，精度受工作環(huán)境如振動、搖擺等影響較大。體積法應用較少，孫月平等[18]設計了一種由喂料電機帶動旋轉葉輪實現(xiàn)定量的投餌機，并通過控制電機轉速調整投餌量。周曉林等[19]設計了一種定量板式下料機構，電磁鐵拉動充填定量餌料的定量板，使板上開孔正對散料口，完成定量投餌。其優(yōu)點是結構簡單，造價較低，缺點是依靠通孔的尺寸保證定量，無法調整投餌量，加上電磁鐵往復運動頻繁，震動和噪音較大，線圈壽命較短甚至有漏電隱患[20]；鄧素芳等[21]、徐志強等[22]采用精密定量攪龍排料投餌方案，餌料用電控啟停的旋轉螺桿推動餌料前進，根據(jù)旋轉時間的長短保證餌料的定量供給，優(yōu)點是可無級調整設定投餌量，其缺點是螺桿及其端面對于機械加工精度要求較高，價格昂貴，損壞后難修復[23]。李康寧等[24]設計了利用旋轉葉輪和端蓋容積保證定量的投餌機，通過控制葉輪旋轉角度調整投餌量，但葉輪容積固定只能呈倍數(shù)增減，定量精度不高。

此外，“訂單化”養(yǎng)殖模式是工廠化海蟹養(yǎng)殖的未來探索方向之一。海蟹的計劃養(yǎng)殖、計劃供應有利于養(yǎng)殖場按照訂單需求提供不同生長階段的商品蟹，實現(xiàn)錯季節(jié)、錯峰銷售，緩解高峰期價格和需求波動[25-26]。這就要求一種結構簡單、維護方便、成本低廉并且可以根據(jù)海蟹的不同生長階段隨時調整餌料設定量的投餌設備。從這個需求出發(fā)，本文提出一種基于升降套筒控制投餌定量的自動化下料方案，通過調整中間儲料套筒的體積改變設定投餌量，不存在高速運動的摩擦副、難修復的精密結構和稱重單元，降低了結構的復雜程度，避免了行走振動給投餌精度造成的影響，實現(xiàn)蟹類自動化養(yǎng)殖。

1 投餌機工作原理及運動分析

1.1 投餌機結構及工作原理

投餌機整體結構如圖1所示，整套投餌系統(tǒng)由機架、儲料機構、可伸縮下料筒、上下控制門開合機構、剪叉升降機構和控制系統(tǒng)組成, 并基于單片機進行自動控制，觸摸屏實現(xiàn)人機交互操作。儲料斗內儲存多次投餌所需的餌料，光電傳感器持續(xù)檢測料位。

1. 料斗 2.機架 3. 觸摸屏4. 下料筒（固定端） 5. 下料筒（活動端） 6.下位電機7. 中位電機 8. 剪叉升降機構 9上位電機 10.瞭望口及光電傳感器

表1給出了系統(tǒng)主要部件的參數(shù)，下料筒容積范圍主要依據(jù)梭子蟹養(yǎng)殖周期所需投餌量制定。

表1 系統(tǒng)部件參數(shù)

Table 1 Parameters of feeding system

系統(tǒng)工作原理如圖2，圖2a為投餌機的投餌量設定工況，Ⅰ為系統(tǒng)的初始位置，上下兩閥門保持關閉。由觸摸屏設定單次投餌量，單片機收發(fā)信號使中位電機動作，電機旋轉帶動剪叉收縮，下料筒固定端與活動端圍成的有效容積減小，實現(xiàn)可變定量投餌。圖2b表示投餌工況，每次工作前料位光電傳感器檢測儲料斗是否有料。若有料，Ⅰ)單片機控制高位電機動作拉開上閥門，粉料落入下料筒內；Ⅱ)待上閥門開啟時間達到設定時長確保下料筒內餌料裝滿后，上閥板關閉；Ⅲ)開啟下閥板進行定量散料；Ⅳ)最后關閉上閥門，系統(tǒng)回歸初始位置。

1.2 投餌機運動分析

假設在下部套筒抬升時，各個活動部件平面運動分析如圖3，對連桿做速度分析，可以確定瞬心的位置。根據(jù)瞬心的性質，可以得出：

圖2 投餌機工作原理圖

注：中位電機對地速度為ν1，沿水平和豎直方向分解的速度分別為ν1x和ν1y，下料筒（活動端）速度為νf，連桿B與水平方向的夾角為α，連桿B的長度為l。

存在關系：

兩邊對1求導并化簡后得出：

兩邊積分，得出：

其中，

由于可調體積等于下料筒活動端有效高度乘以底面積，故

由于直線電機進給速度1x等于電機轉速乘以螺距，對于固定系統(tǒng)來說1x大小恒定。

依據(jù)式（10），可按照設定的體積改變量求出電機運轉的時間1，保證定量位置。

2 硬件設計

2.1 剪叉升降機構

下料筒活動端升降時采用雙邊剪叉機構，活動端與固定端對中良好，運動流暢。將單邊剪叉機構簡化為平面四桿機構，如圖4對連桿進行受力分析，忽略其質量可以視為二力輕桿，邊界受力大小相同方向相反，分別為1及2，1的豎直分量克服1/4負載，并在電機動力下完成升降。受力大小存在以下數(shù)學關系：

聯(lián)立化簡得出：

因此，為保證工作可靠，在設計時盡量增加初始夾角的正切值，減小電機負載。

2.2 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)主要包括獨立的配電箱和控制器組成。配電箱中主要安放步進電機的電機驅動器、電源、熔斷開關等；控制器主要包含單片機、觸摸屏、信號轉換模塊、遠程通訊模塊等，系統(tǒng)功能的實現(xiàn)框圖如圖5所示，工控機連接多臺投餌機，每臺投餌機由觸摸屏后端控制，由單片機實現(xiàn)自動化投餌。

定量投餌功能由3個步進電機執(zhí)行，其一實現(xiàn)下料筒的伸縮，其余負責實現(xiàn)下料筒上下閥門的開合。投餌采用膨化或顆粒飼料，餌料輕軟易碎，下料筒是鋁制材料，質量較輕，結合成本綜合考慮，選取成本較低的86BYGH兩相混合式步進電機，型號為42BYGH48- 401A。

注：料筒活動端及內部餌料的總重力為G，連桿B的兩端受力分別為F1和F2，F(xiàn)3是與B相鄰的連桿一端受到的壓力，α為連桿B與水平面的夾角。

圖5 海蟹定量投餌機控制系統(tǒng)框圖

STC89c51單片機具有結構簡單、價格低廉、使用可靠、操作方便、通用性強等特點[27]，符合自動投餌系統(tǒng)對單片成本低廉、操作簡單、可靠性高的需求，因此控制系統(tǒng)選用STC89c51單片機作為主控制芯片[28]，利用RS-485通信接口與觸摸屏進行雙向數(shù)據(jù)通信，利用I/O口脈沖控制步進電機驅動器。系統(tǒng)運行時，首先控制器接收觸摸屏數(shù)據(jù)幀，得到具體控制參數(shù)，如投餌時間、投餌量等，利用單片機片內時鐘產生特定頻率的脈沖信號通過L298N電機驅動器驅動步進電機產生預期的步距角，當步進電機連續(xù)接收脈沖時將能夠持續(xù)穩(wěn)定運行[29]。同時通過脈沖極性調節(jié)，可以實現(xiàn)步進電機的雙向運行，實現(xiàn)下料控制門的自動開合。投餌系統(tǒng)每完成一次投餌動作，控制器會將已完成的投餌量數(shù)據(jù)上傳給觸摸屏界面進行顯示，并實時反映控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。當全部投餌作業(yè)量完成后，系統(tǒng)進入定時待機狀態(tài)，下一次投餌時刻到達后，系統(tǒng)重新啟動運行。

控制系統(tǒng)邏輯圖如圖6所示，其中S、R分別為置位和復位觸發(fā)器：當S輸入一個脈沖，輸出為高電平；當R輸入一個脈沖，則輸出低電平。AND為與門，當所有的輸入同時為高電平時，輸出才為高電平，否則輸出為低電平；OR為或門，只要輸入存在高電平，輸出即為高電平。圖中包括型號為STC89c51的單片機、MAX485芯片、L298N驅動器、步進電機等。步進電機驅動原理圖見圖7，輸入信號主要有3路：步進脈沖信號PUL、方向電平信號DIR、使能電平信號EN。同時還可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速和正反轉的目的。

注：S、R為置位和復位觸發(fā)器；AND為與門；OR為或門。

圖7 電機驅動原理圖

觸摸屏采用維控LEVI777A型通用人機界面，工作電壓24V，通過RS-485接口與單片機控制器進行通信，完成投餌系統(tǒng)的參數(shù)設定和控制。

3 軟件設計

觸摸屏中自帶組態(tài)軟件，本系統(tǒng)觸摸屏操作系統(tǒng)使用維控觸摸屏配套的Levi studio組態(tài)開發(fā)[30]環(huán)境進行編寫。

觸摸屏主要包括參數(shù)設置、工作狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)查詢、幫助4大功能界面。參數(shù)設置界面可以對整個系統(tǒng)所有運行的參數(shù)進行設置，例如投餌量的設置、步進電機轉速和正反轉的設置等；工作狀態(tài)界面是顯示當前系統(tǒng)工作運行的狀態(tài)，顯示當前電流、電壓及各部分運行情況；歷史數(shù)據(jù)查詢界面可以查找之前所有執(zhí)行過的投餌狀態(tài)，例如投餌時間、投餌量等；幫助界面可以為用戶提供系統(tǒng)的具體操作方法，系統(tǒng)使用的注意事項等等，幫助新用戶熟練地運用該系統(tǒng)，系統(tǒng)人機界面如圖8所示。

系統(tǒng)中所使用的LEVI777A工業(yè)級觸摸屏有2個COM接口，支持RS-232和RS-485通信，同時帶有USB接口支持在線調試和程序下載功能。由于單片機與觸摸屏的通信距離在1 m以內，因此可以使用RS-485接口進行異步串行通信。工業(yè)觸摸屏內部提供了用戶自定義協(xié)議拓展功能，在串口通信中使用自定義協(xié)議進行串口控制程序編寫較之使用工業(yè)標準協(xié)議更為簡便，自定義協(xié)議數(shù)據(jù)格式，每幀數(shù)據(jù)占10位，包括起始位、數(shù)據(jù)位和校驗位，數(shù)據(jù)校驗采用奇偶校驗法。

圖8 人機界面圖

觸屏串口接收數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)校驗，同時內部腳本程序循環(huán)執(zhí)行，截取有效數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，形成相應的觸發(fā)指令和返回指令。觸發(fā)信號引起的動作包括觸屏界面中狀態(tài)燈的狀態(tài)切換，以及數(shù)據(jù)顯示框中數(shù)值的變化。返回指令數(shù)據(jù)格式同上，包含步進電機參數(shù)調整數(shù)據(jù)。軟件界面的設置是基于觸摸屏自帶軟件組態(tài)形成，具體參數(shù)設置和命令執(zhí)行是通過C語言來編寫程序完成的。

系統(tǒng)投餌過程流程圖如圖9所示。

圖9 定量投餌系統(tǒng)工作流程圖

4 試驗設計與結果分析

4.1 試驗環(huán)境

系統(tǒng)性能試驗于2016年3月在寧波市象山鑫億鮮活水產有限公司的梭子蟹單筐養(yǎng)殖基地進行。在設計自動投餌系統(tǒng)定量投餌試驗時，考慮到餌料在實際工廠化養(yǎng)殖中直接拋入水中而無法稱量，故可在養(yǎng)殖池不蓄水的前提下，用其他容器收集投放的餌料，也便于測量系統(tǒng)投餌量的精度[31]。

投餌系統(tǒng)由單片機控制，單片機自身的時鐘信號由內部振蕩方式取得。在引腳外接晶振振蕩器或陶瓷諧振器，就構成了單片機的內部振蕩方式[32]，可以按照之前設置的投餌時刻，準確無誤地進行定時投餌，幾乎不會有誤差，因此設計試驗著重測試投餌設備的定量精度。

4.2 定量性能測試

在工廠化海蟹（以三疣梭子蟹為例）單筐養(yǎng)殖時，當三疣梭子蟹成長到V期后才會進行單筐養(yǎng)殖，初期三疣梭子蟹個體質量平均為70 g，個體投餌量大約在占質量的8%~10%，后期梭子蟹平均體質量300 g，對應投餌占比為5%~8%[33]。故試驗按照市場需求和量程設計，最小投餌量為5 g/次，設置梯度至最大投餌量為13 g/次，每個梯度投放20次，收集每次投放的餌料，用稱重儀進行稱量并與設定投放量進行比較，計算誤差百分數(shù)，驗證該自動投餌系統(tǒng)定量投餌的可行性。按照以上方法進行試驗并獲得5個梯度共100個試驗數(shù)據(jù)，測得的試驗結果如圖10所示。

由圖10中的試驗數(shù)據(jù)可以看出，在設定投餌量5～13 g范圍內，總體相對誤差控制在8%以內，能夠滿足工廠化海洋蟹類單筐養(yǎng)殖自動投餌系統(tǒng)定量投餌性能的需求，達到定量投餌的目的。

圖10 投餌機定量精度測試結果

4.3 結果與分析

由圖10的試驗數(shù)據(jù)可知，投餌量精度上存在一定的誤差。當投餌量在5～7 g時，誤差可以控制在8%以內；當投餌量在9～13 g時，誤差則不超過4%。誤差會隨著投餌量的增加而逐步減少，但是總體上誤差可以控制在8%以內，占梭子蟹體質量的1~1.25%，按照70 g幼蟹攝食量占體質量波動范圍2%[33-35]計算，投餌精度可滿足工廠化水產養(yǎng)殖行業(yè)的需求。經過分析認為，產生誤差的主要原因包括3個方面：

1）餌料因在潮濕的環(huán)境中極易受潮而發(fā)生黏結，在下料的時候可能會結塊，使下料筒填充不滿。

2）有的餌料的形狀不規(guī)則，在填充下料筒時會出現(xiàn)空隙過多的現(xiàn)象，一定程度上會影響投餌量的精度。

3）下料筒的加工精度上還存在不足。隨著投餌量的減少，產生的誤差會相對增大。該系統(tǒng)更適合水產養(yǎng)殖后期，餌料需求量較大，單次投放量較多的情況。后續(xù)在餌料加工方面有所改善，該系統(tǒng)的自動投餌量精度會再度提高。

5 結 論

該文基于單片機、觸摸屏、可變體積的下料筒設計了一種適用于工廠化水產養(yǎng)殖的自動定量投餌系統(tǒng)。系統(tǒng)連接維控觸摸屏人機界面，通過自帶軟件設計控制顯示界面，實現(xiàn)集自動投餌、監(jiān)測、控制于一體的人機界面設計，達到智能控制投餌系統(tǒng)的目的。在養(yǎng)殖基地實地考察研究，根據(jù)工廠化養(yǎng)殖需求，設置系統(tǒng)定量投餌性能試驗方案：設計5組梯度投餌試驗，設定范圍自5 ~13 g/次，每組重復試驗20次，對拋灑的餌料稱質量、記錄并計算誤差。試驗數(shù)據(jù)表明，即使是在單次投餌量較小的情況下，誤差最大值仍保持在8%以內，占梭子蟹體質量的1%~1.25%，按照70 g幼蟹攝食量占體質量波動范圍2%計算，投餌精度可滿足工廠化水產養(yǎng)殖行業(yè)的需求，系統(tǒng)總體設計方案有效可行，能較好地滿足自動定量投餌，實現(xiàn)工廠化水產的自動化、智能化養(yǎng)殖，降低養(yǎng)殖成本，提高海蟹品質。

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Design of quantitative feeding machine for sea crab cultivation based on volume adjustment of lifting sleeve

Hu Haigang1, Tang Chao1, Zhang Linwei2, Zhang Gang1, Qian Yunxia3

(1.3152112.3151003.315211,)

There are many uncertain factors in the amount of artificial feeding, which cause the waste of bait easily, moreover, a huge labor cost. The author briefly introduces the research status of automatic feeding machine at home and abroad, and points out that the existing quantitative feeding machine cannot take both the structural simplicity and functional perfection into account. Aiming at the complex structure and expensive price of the volume quantitative baiting machine, the author studies and designs a simple baiting machine for marine crabs. In the modern factory circulating aquaculture system, each crab is placed in separate baskets. Its amount of feeding and feeding time are strict, which needs to be adjusted according to the weight and food intake of the crabs. As a result, the designed feeding machine must have a stepless adjustment according to the real-time status of the breeding objects with the ability that can vary the amount of bait, simple structure, stable performance and easy maintenance. Therefore, based on the principle of variable volume method, this paper designs an automatic feeding system for single-cage culture sea crabs with a strong anti-interference ability, which overcomes the shortcoming that the accuracy of quantitative weighing method is susceptible to vibration. The author introduces the basic structure and basic working principles of this system. The whole feeding system consists of hopper, rack, lower barrel, lower barrel, motors, Scissor mechanism and control system. When the MCU sends the start command, the upper and lower valves remain closed, and the material level photoelectric sensor detects whether the storage hopper has material. If there is material, the upper motor moves to open the valve plate between the storage hopper and the lower barrel, and the baits fall into the lower barrel. After the barrel is filled with bait, the upper valve plate is closed and the lower valve plate is opened for feeding, when the single chip transmits a signal for adjusting the amount of the feed, the middle motor operates to change the total volume of the lower cylinder by varying the height of the lower barrel, thereby realizing variable quantitative feeding. The programming controller (microcontroller) performs automatic control, and the touch screen realizes human-computer interaction operation. Then with combination of theoretical calculation, the paper determines the relationship between different quantitative volumes and motor control time. The second chapter optimizes the scissor lift mechanism to obtain the most efficient initial angle. The article also designs the control system, introduces the composition of the control system and the selection of the execution motor, details the operation of the control system during the work process, and briefly introduces the hardware of the human-computer interaction interface. Combined with automatic feeding system control circuit of the mater controller, it realizes the intelligent control of the entire automatic feeding system, leads to the system to be more convenient and intelligent. As for software, an interactive software is designed to implement functions such as parameter setting, working status, historical data query, and help interface, which helps new users quickly master the use of the feeding machine. Based on the automatic feeding systems for single basket of crabs breeding, the author experimented in Xinyi fresh aquatic Ltd. (Xiangshan, Ningbo) to test the function of casting bait at accurate time and quantity. After experiment, the performance test of the precision error of the feeding system shows that the design scheme is effective and feasible. On the premise of precise time point, the system can control the average error of feeding accuracy to less than 8%, which meets the needs of Marine crabs farming in factory. The test results show that the overall design scheme of the system is effective and feasible within the allowable error range of the factory aquaculture industry, especially in the case of a large feeding amount. To achieve automation and intelligent farming of factory-based aquatic products, reduce farming costs and improve the quality of marine crabs.

aquaculture; design; recirculating aquaculture system; marine crab breeding; automatic feeding

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.005

S969.31

A

1002-6819(2019)-13-0047-07

2018-11-05

2019-04-18

浙江省公益技術項目（2017C32014）；寧波市科技富民項目（2017C10006）；寧波市農業(yè)重大項目（2017C110007）

胡海剛，浙江定海人，高級實驗師，輪機工程學位點船舶自動化與機電控制方向學術梯隊骨干成員，主要從事船舶工程安全技術與機電控制研究。Email：huhaigang@nbu.edu.cn

胡海剛，唐 潮，張林偉，張 剛，錢云霞.基于升降套筒體積調整的海蟹養(yǎng)殖定量投餌機設計[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(13)：47－53. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.005 http://www.tcsae.org

Hu Haigang, Tang Chao, Zhang Linwei, Zhang Gang, Qian Yunxia.Design of quantitative feeding machine for sea crab cultivation based on volume adjustment of lifting sleeve [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 47－53. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.004 http://www.tcsae.org