陳蔚然，張華珺，潘 博

（皖西學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，安徽 六安 237000）

引言

隨著國(guó)家政策的鼓勵(lì)與支持以及漁業(yè)養(yǎng)殖具有的良好利潤(rùn)前景，越來越多的人選擇進(jìn)入漁業(yè)養(yǎng)殖這一行業(yè)。但事實(shí)上我國(guó)淡水魚產(chǎn)業(yè)一直處于散點(diǎn)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，是產(chǎn)業(yè)秩序混亂，缺乏產(chǎn)業(yè)組織，缺乏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進(jìn)而缺乏產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的弱質(zhì)產(chǎn)業(yè)。面對(duì)當(dāng)前魚類的養(yǎng)殖，出現(xiàn)養(yǎng)殖品種質(zhì)量下降、養(yǎng)殖捕撈產(chǎn)量降低、養(yǎng)殖收益較低等問題。水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，飼料投喂是主要工作之一，投飼技術(shù)的發(fā)展對(duì)提高產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率具有重要作用。早期人力成本相對(duì)較低，養(yǎng)殖業(yè)采用傳統(tǒng)粗放式的管理模式，主要依賴人工投喂，效率低。隨著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，養(yǎng)殖規(guī)模增大，人力成本越來越高，人工投喂逐漸不能滿足生產(chǎn)需要[1]。同時(shí)，良好的水質(zhì)對(duì)魚類的養(yǎng)殖起著決定性作用，不同的魚類有不同的水質(zhì)要求，在適合的水質(zhì)中飼養(yǎng)合適的魚才可將養(yǎng)殖戶的利益最大化。有效調(diào)節(jié)水質(zhì)可在一定程度上保證水產(chǎn)品養(yǎng)殖數(shù)量和養(yǎng)殖質(zhì)量[2]。因此，本文對(duì)一種基于云平臺(tái)的漁業(yè)養(yǎng)殖投喂與監(jiān)測(cè)裝置做出了相關(guān)研究和設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thing）技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)的重要部分，現(xiàn)代生活諸多場(chǎng)景都運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)中的深度學(xué)習(xí)研究主要應(yīng)用在人工智能、技術(shù)與管理和流媒體領(lǐng)域。由此可以看出，根據(jù)需求推動(dòng)發(fā)展，對(duì)基于信息技術(shù)發(fā)展智能化、信息化要求較高的領(lǐng)域是物聯(lián)網(wǎng)中的深度學(xué)習(xí)相關(guān)研究的推動(dòng)者和成果應(yīng)用者[3]。其應(yīng)用已延伸到生活的各個(gè)方面，在現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)控制應(yīng)用當(dāng)中，主要強(qiáng)調(diào)的是智能監(jiān)管[4]。該設(shè)計(jì)基于云平臺(tái)現(xiàn)有的表達(dá)方式和運(yùn)算的規(guī)律，完成互聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器的相應(yīng)連接，將傳感器檢測(cè)的各類數(shù)據(jù)通過MQTT 協(xié)議上傳至云端服務(wù)器，云端解析后傳輸?shù)接脩舻氖謾C(jī)APP 中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程讀取水質(zhì)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制飼料投喂等操作。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

本產(chǎn)品的系統(tǒng)包括一個(gè)上位機(jī)監(jiān)控和一個(gè)控制終端，上位機(jī)監(jiān)控指用戶手機(jī)APP 中對(duì)飼料的定量投喂設(shè)置以及對(duì)魚類養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測(cè)，控制終端主要分為飼料分料系統(tǒng)、飼料投喂系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)4大部分。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖1。上位機(jī)與控制終端的連接為通過物聯(lián)網(wǎng)MQTT通信協(xié)議在用戶手機(jī)間發(fā)送和接收相關(guān)信息，將水質(zhì)、溫度等信息反饋給用戶。控制分料的步進(jìn)電機(jī)由Arduino板與驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)其進(jìn)行控制與設(shè)定，ESP8266 連接WiFi來接收相關(guān)消息，通過串口輸出的高低電平給予繼電器來控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)與關(guān)閉以此控制飼料的投喂。利用風(fēng)機(jī)將通過管道與分料系統(tǒng)分料的定量飼料拋灑至池塘。

1.2 系統(tǒng)工作原理

基于云平臺(tái)的漁業(yè)養(yǎng)殖投喂與監(jiān)測(cè)裝置接入云平臺(tái)，由用戶設(shè)定數(shù)值，投料裝置開始工作。分料裝置分料，落入風(fēng)送裝置中，利用風(fēng)送裝置將飼料從管道中拋出，飼料投喂完成后，傳感器通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)反饋至用戶手機(jī)APP 客戶端。同樣，水質(zhì)檢測(cè)功能也通過云平臺(tái)進(jìn)行，通過用戶在手機(jī)APP 中設(shè)置水溫閾值和水渾濁度閾值進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，閾值設(shè)置之后機(jī)器對(duì)應(yīng)的水溫模塊與水渾濁度模塊開始工作，模塊對(duì)魚塘水質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的閾值判斷，系統(tǒng)判斷是否超過閾值，若未超過閾值，則水質(zhì)安全，繼續(xù)工作，若超過閾值，模塊將數(shù)據(jù)反饋到用戶手機(jī)APP 客戶端。用戶還可自行設(shè)置未來水溫與水渾濁度的閾值，此功能利于幫助用戶改變魚類養(yǎng)殖環(huán)境，使養(yǎng)殖環(huán)境更加適合所養(yǎng)殖魚類。

1.3 操作可行性分析

系統(tǒng)控制流程見圖2。

飼料投喂量（S）=魚種放養(yǎng)量（W）×凈增重量倍數(shù)（E）×飼料系數(shù)（R）。

本團(tuán)隊(duì)測(cè)得全價(jià)配合飼料的飼料系數(shù)（R）為2～2.5，對(duì)于混合飼料的飼料系數(shù)（R）為3～3.5。魚種凈增重量倍數(shù)（E）為4～5。

飼料投喂量（S）=魚種放養(yǎng)量（W）×3.25（E）×2.75（R）（不同放養(yǎng)量結(jié)果會(huì)有差異）

對(duì)于送料裝置，外部外圈直徑（D）：22 cm ；內(nèi)部?jī)?nèi)圈直徑(r）：3 cm ；裝置高（H）：10 cm。

飼料投喂量（S）=1/6×［（D/2）2-（r/2）2］×π×H=220 cm3。由上計(jì)算可得：機(jī)器飼料投喂量為220cm3，一般魚種放養(yǎng)的投喂量的范圍為218.2 cm3～223.3 cm3之間，因此由上述計(jì)算可得，該機(jī)器飼料投喂量符合一般魚類飼料投喂量要求。

1.4 技術(shù)難點(diǎn)

（1） Arduino的精準(zhǔn)性不足。由于Arduino是基礎(chǔ)的單片機(jī)智能控制系統(tǒng)，對(duì)信號(hào)的接收和發(fā)送會(huì)有較大的局限性，因此無法準(zhǔn)確地測(cè)量魚塘的水質(zhì)和水溫，出現(xiàn)一定的誤差。（2）飼料的精準(zhǔn)定量。用戶利用手機(jī)APP 通過物聯(lián)網(wǎng)對(duì)ESP8266 進(jìn)行通信傳遞，使機(jī)器接收到ESP8266 所發(fā)出的信號(hào)，繼而啟動(dòng)分料裝置和吹料裝置。在此過程中可能會(huì)因?yàn)榉至涎b置的阻塞卡頓致使無法吹出定量飼料，從而影響魚的攝食。（3） 濁度傳感器與溫度傳感器靈敏度的調(diào)節(jié)。戶外池塘的環(huán)境變化較大，傳感器因部分其它因素的干擾導(dǎo)致監(jiān)測(cè)不靈敏，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有誤差。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整體硬件結(jié)構(gòu)可分為環(huán)境監(jiān)控和養(yǎng)殖管理兩大環(huán)節(jié)[5]。本設(shè)計(jì)的動(dòng)力來源為外部供電，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為3 個(gè)部分，上部的儲(chǔ)料裝置、中部的分料裝置和底部的吹料裝置。

風(fēng)送式飼料投喂裝置是產(chǎn)品主要的裝置之一，主要由鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后產(chǎn)生的強(qiáng)大風(fēng)力將管道中的魚飼料吹出，達(dá)到播撒的目的。分料裝置——步進(jìn)電機(jī)，以分料轉(zhuǎn)盤中心為軸承固定于光桿上，轉(zhuǎn)盤外部連接惰輪。利用惰輪上的傳送帶連接步進(jìn)電機(jī)上的小惰輪，完成步進(jìn)電機(jī)對(duì)分料轉(zhuǎn)盤的運(yùn)行與控制。風(fēng)送式飼料投喂的方式類似于人工拋灑飼料方式，其本質(zhì)都是利用“力”將飼料拋灑出去。用戶可以將一天甚至多天的投喂量全部投入儲(chǔ)料裝置，飼料從中部的分料裝置因重力落入下方的投喂管道。在投喂管道的末端存在有220 V 5 A的鼓風(fēng)機(jī)，當(dāng)機(jī)器啟動(dòng)，中部分料裝置的飼料落入底部管道，5 v 的Arduino 板將信號(hào)傳遞給分料電機(jī)，ESP8266利用所得的高低電平信號(hào)來控制繼電器，Arduino 將接收到的信號(hào)傳遞至驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器對(duì)分料電機(jī)進(jìn)行控制飼料的定量下落，并使繼電器對(duì)主要大型部件220 V 鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行定時(shí)開啟與關(guān)閉指令的執(zhí)行，控制鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。裝置整體建模，見圖3。

3 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)利用ESP8266 芯片連接Wi-Fi 接入阿里云平臺(tái)，完成互聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器的連接。ESP8266-WiFi 無線模塊將控制信號(hào)傳輸?shù)嚼^電器中，繼電器對(duì)位于風(fēng)送裝置的鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，之后由Arduino對(duì)分料驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，使分料電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而根據(jù)用戶的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此達(dá)到飼料定量投喂的目的。同時(shí)，為提高機(jī)器的使用壽命，用戶可通過手機(jī)APP 自行設(shè)定本產(chǎn)品啟動(dòng)與關(guān)閉的時(shí)間段，以此來減少產(chǎn)品在不需要投喂飼料時(shí)或在待機(jī)狀態(tài)下所造成額外的能源損耗，提高電源的使用時(shí)間，同時(shí)降低電源過度使用所增加的用戶自身養(yǎng)殖的成本。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)功能同樣利用云平臺(tái)進(jìn)行，通過用戶在手機(jī)APP 中設(shè)置水溫閾值和水渾濁度閾值實(shí)現(xiàn)，閾值設(shè)置之后機(jī)器相應(yīng)的水溫模塊和水渾濁度模塊開始工作，模塊對(duì)魚塘水質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的閾值判斷，系統(tǒng)判斷是否超過閾值，若未超過閾值，則水質(zhì)安全，繼續(xù)工作，若超過閾值，模塊將數(shù)據(jù)反饋至用戶手機(jī)APP 客戶端，見圖4。

4 系統(tǒng)組裝與調(diào)試

4.1 系統(tǒng)硬件部分組裝

本研究所述產(chǎn)品的實(shí)物見圖5、圖6。

4.2 程序部分調(diào)試

軟件部分主要利用所編寫的語言程序來配合相應(yīng)的硬件電路，控制所設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)所預(yù)期的功能。Arduino單片機(jī)的程序可使用C 語言，也可使用匯編語言，或二者的結(jié)合，本設(shè)計(jì)使用C 語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)對(duì)ESP8266 和步進(jìn)電機(jī)的控制功能。

為應(yīng)對(duì)程序控制過多的硬件造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定，我們采用ESP8266 對(duì)Arduino 進(jìn)行控制，以此控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，利用兩部分控制可增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)可降低控制的延遲，加強(qiáng)飼料投喂數(shù)量的精確控制。為實(shí)現(xiàn)飼料投喂的智能控制，本團(tuán)隊(duì)增加了水溫的閾值設(shè)定。當(dāng)水溫低于設(shè)定的閾值，即停止飼料的投喂，并通過移動(dòng)端向用戶發(fā)送信息。

在本團(tuán)隊(duì)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)速度有所限定，有短時(shí)間延遲，因此本團(tuán)隊(duì)增加刷新控制，用戶只需點(diǎn)擊即可完成刷新指令的實(shí)行，快速完成數(shù)據(jù)的刷新，查看實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)本團(tuán)隊(duì)留有足夠的控制引腳滿足機(jī)器功能的開發(fā)，為面對(duì)不同的情況實(shí)現(xiàn)不同的功能留有足夠的功能選項(xiàng)，可根據(jù)用戶是否需要來決定是否啟用上述功能。我們?cè)谝苿?dòng)端留有debug窗口，可對(duì)命令的實(shí)行情況及工作信息有所了解，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效調(diào)試，滿足系統(tǒng)調(diào)試的需要。

5 結(jié)論

本研究所述產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，易于上手操作，人機(jī)交互性強(qiáng)，用戶只需將機(jī)器帶到指定工作地點(diǎn)即可運(yùn)行工作。對(duì)飼料的投喂及魚塘水質(zhì)的監(jiān)測(cè)有精確的把控，節(jié)約人力物力，在一定程度上為智慧漁業(yè)的發(fā)展提供動(dòng)力。