歐陽兆彰，張俊良，吳煥轉(zhuǎn)

（1 江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，529000，廣東江門；2 江門中醫(yī)藥技術(shù)學(xué)院，529000，廣東江門）

目前，廣東珠西地區(qū)的水產(chǎn)養(yǎng)殖在沿海鄉(xiāng)村極具規(guī)模，但智能設(shè)備的應(yīng)用依舊有限，還是以人工作業(yè)為主，無法擺脫工作時間過長的現(xiàn)狀。養(yǎng)殖戶需投入較大的時間成本進行蹲點值守，每天定時喂養(yǎng)、換水，并時刻提防停電、水質(zhì)變壞等突發(fā)情況，稍有不慎就可能造成無法挽回的巨大損失。長期固守在農(nóng)村地區(qū)，缺少自由，養(yǎng)殖工作更不被年輕人認(rèn)同，行業(yè)發(fā)展前景暗淡。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖智能控制國內(nèi)外現(xiàn)狀

國外的主要研究方向，是致力于將物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算等信息技術(shù)與水產(chǎn)養(yǎng)殖相結(jié)合，實現(xiàn)精準(zhǔn)化、無人化的養(yǎng)殖[1]。國內(nèi)，主要集中于研究實時監(jiān)控水溫、水質(zhì)、溶解氧、pH 等要素，以減少水產(chǎn)養(yǎng)殖的風(fēng)險[2-3]。

但是，智能控制產(chǎn)品在養(yǎng)殖戶中推廣使用十分有限，主要是因為養(yǎng)殖的品種、池塘建設(shè)、養(yǎng)殖前期準(zhǔn)備、水產(chǎn)品成長過程等關(guān)鍵因素各有不同。在智能控制產(chǎn)品設(shè)計研制的整個過程中，養(yǎng)殖戶必須全程參與決策，但他們對于智能產(chǎn)品所涉及的技術(shù)知識與控制理論十分陌生，很難駕馭此類軟件與設(shè)備；另外，大多數(shù)養(yǎng)殖戶以家庭作坊為主，規(guī)模較小，平均每年的利潤就在10 萬元左右，如需要他們增設(shè)價格貴、操作復(fù)雜、維護費用高的設(shè)備，養(yǎng)殖戶熱情不高，認(rèn)可程度較低。

針對上述情況，研制成本合理、操作簡單，能分擔(dān)養(yǎng)殖過程中的斷電搶險、水質(zhì)監(jiān)控、飼料投喂等任務(wù)，減輕養(yǎng)殖戶勞動強度，實現(xiàn)無人值守的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能控制系統(tǒng)十分必要。

2 水產(chǎn)養(yǎng)殖智能控制系統(tǒng)研制

2.1 系統(tǒng)主要構(gòu)成框架

基于農(nóng)村無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的全面覆蓋與4G 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，本文自主研發(fā)的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能控制系統(tǒng)包含ATS（Automatic transfer switching）模塊、云監(jiān)控模塊、pH 測控模塊、飼料投放控制模塊等功能模塊，用戶可根據(jù)實際需求進行定制組合，極其利于推廣。系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程開關(guān)單元、4G 通信單元組成，借助4G 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能為各功能模塊提供遠(yuǎn)程控制、斷電報警、上電自鎖等功能及Wi-Fi 信號，在手機平臺可實現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程啟動、工作狀態(tài)判斷、多人分享、設(shè)備啟停報送等功能，大大減輕水產(chǎn)養(yǎng)殖的時間投入，實現(xiàn)無人值守。結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。其中遠(yuǎn)程開關(guān)單元選用某品牌JYDAM0455 型作為核心部件，能遠(yuǎn)程控制24 V、220 V 的繼電器、接觸器，實現(xiàn)線路通斷報警與云平臺數(shù)據(jù)處理。

圖1 系統(tǒng)主要構(gòu)成框架

2.2 ATS 模塊

ATS 模塊可解決無人值守時突發(fā)斷電的問題。供電意外情況時有發(fā)生，更甚的是別有用心的人惡意關(guān)停設(shè)備電源。為防止意外，養(yǎng)殖戶不單養(yǎng)狗防盜，還要在池塘旁邊搭建茅屋日夜看守，特別在寒冷與風(fēng)雨天氣，十分艱苦。ATS 模塊可以將智能控制系統(tǒng)從市電電源自動換接至備用發(fā)電機電源，以確保增氧機等養(yǎng)殖設(shè)備連續(xù)、可靠運行。ATS 模塊具備電氣聯(lián)鎖、切換延時與市電優(yōu)先功能。切換延時功能可保證電源轉(zhuǎn)換時電參數(shù)的穩(wěn)定性，防止電源短路；市電優(yōu)先功能，保證供電時，即使在發(fā)電機組供電狀態(tài)的任何時候，只要市電恢復(fù)正常，也立刻切換至市電供電。其電氣原理如圖2 所示。

圖2 ATS 模塊電氣原理

本系統(tǒng)的ATS 模塊可搭配市面上大多數(shù)的發(fā)電機（只需具備電氣啟動的功能），并在此基礎(chǔ)上，增設(shè)自動、遠(yuǎn)程總控。自動模式時，利用遠(yuǎn)程開關(guān)單元實現(xiàn)手機總控。啟用ATS 功能時，即繼電器KA3 線圈上電，發(fā)電機電氣啟動的常開觸點閉合；反之?dāng)嚅_，屏蔽ATS功能。手動操作時，按下原有的手動開關(guān)（SB1）即可啟動發(fā)電機。

KA1 是某品牌型號為H3Y-2H 的時間繼電器，由一對瞬時開關(guān)與一對延時開關(guān)組合。模塊工作過程：市電正常，線圈KA1 上電，KA1 的瞬時常開開關(guān)使發(fā)電機啟動線路斷開，發(fā)電機為待機狀態(tài)。KA1 的延時常開觸點經(jīng)過5 s 左右閉合，接入系統(tǒng)帶動負(fù)載；當(dāng)市電出現(xiàn)故障時，KA1 失電，瞬時常開開關(guān)閉合，發(fā)電機立即啟動，KA2 的常開觸點經(jīng)過5 s 左右延時，使負(fù)載切換至發(fā)電機；當(dāng)市電恢復(fù)時，KA1 上電，發(fā)電機停止，KA2 斷電，負(fù)載切換回市電，發(fā)電機組自動停機。

2.3 pH 測控模塊

加強水質(zhì)調(diào)控是水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵。根據(jù)《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]，最佳養(yǎng)殖水質(zhì)的pH 值是7.5～8.5。當(dāng)水質(zhì)pH值小于6.5 時，魚類呼吸困難、飼料消化率低，生長放緩；當(dāng)pH 值高于9 時，水質(zhì)呈強堿性，嚴(yán)重時可致魚類死亡。養(yǎng)殖戶須經(jīng)常巡塘觀察，定期監(jiān)測，做好換水工作。當(dāng)pH 異常時，根據(jù)情況，投放適量生石灰或明礬粉進行pH 修正。特別遇到夜間大雨，雨水流入及周邊有機物被沖刷進池塘，短時間就可改變水質(zhì)，更需養(yǎng)殖戶迅速應(yīng)對。因此，有效監(jiān)測水質(zhì)pH 值變化，及時通知養(yǎng)殖戶，并實施有效修正手段，對保障水產(chǎn)養(yǎng)殖具有積極意義。

結(jié)合科學(xué)養(yǎng)殖知識與經(jīng)驗，開發(fā)pH 測控模塊，控制流程如圖3 所示。當(dāng)pH 檢測數(shù)據(jù)異常時，通過遠(yuǎn)程開關(guān)單元，立刻報送給養(yǎng)殖戶手機。

圖3 控制流程

生石灰、明礬與EM 菌的投放可利用市面上現(xiàn)有的遠(yuǎn)程魚料投放器，只需配備Wi-Fi 信號，即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。利用遠(yuǎn)程開關(guān)單元的定時功能，可實現(xiàn)自動定時換水功能（先排水，后進水）。pH 檢測采用帶高/低限輸出的傳感器，當(dāng)pH 大于9 時，H1 閉合，遠(yuǎn)程開關(guān)單元檢測到電信號，手機報警。在防錯模式下，即KA6 斷開時，明礬粉末投放機必須在H1 閉合時，電源才可通電，允許工作，目的是防止生石灰和明礬的錯誤使用。如無需該功能，切換回手動模式，接通KA5、KA6 即可，生石灰與明礬的投放設(shè)備不受pH 監(jiān)測影響。電氣原理圖如圖4 所示，關(guān)鍵電氣部件控制如表1 所示。

表1 電氣部件對應(yīng)控制設(shè)備

圖4 pH 檢測模塊電氣原理圖

2.4 飼料拋投控制模塊

飼料的喂養(yǎng)量與喂養(yǎng)次數(shù)需根據(jù)水產(chǎn)品成長階段進行調(diào)整，定時與適量投放至關(guān)重要。根據(jù)走訪可知，飼料商一般會免費贈送飼料拋投機供養(yǎng)殖戶使用。但是，設(shè)備使用率極低，主要原因是:該設(shè)備沒有定時、定量運行等重要功能，必須手動啟停；出于私心，供應(yīng)商為了更快消耗飼料，設(shè)備投料量大、速度快，不符合科學(xué)養(yǎng)殖要求。

本系統(tǒng)的飼料投放控制模塊針對現(xiàn)有的飼料投喂設(shè)備缺點，結(jié)合遠(yuǎn)程開關(guān)單元的定時功能與變頻器的調(diào)速作用，對投料機可實施定時運行、自動操作。能大大減輕勞動強度，切實解決養(yǎng)殖戶無人守值下的飼料投放問題。魚塘要做到飼料投喂全覆蓋，一般需要多臺設(shè)備在不同地點進行拋投，如每臺投喂設(shè)備都需要獨立的變頻器進行驅(qū)動，將大大增加設(shè)備投入成本。本模塊設(shè)計一臺變頻器輪流控制多臺飼料拋投設(shè)備，電氣原理圖如圖5 所示。變頻器SFW 為正轉(zhuǎn)啟停信號，RL/RH 是高、低速設(shè)定，對應(yīng)成長期與成熟期不同的飼料投喂量。利用遠(yuǎn)程開關(guān)單元的定時功能，依次接通KA11、KA12、KA13，以90 s 為一工作周期，每臺飼料機依次接入變頻器，工作時長為15 s，時間流程如表2所示。

表2 工作時間流程

圖5 飼料模塊電氣原理圖

3 結(jié)語

本文研發(fā)的智能控制系統(tǒng)，借助市面上現(xiàn)有的技術(shù)成熟的控制部件進行整合優(yōu)化，可兼容養(yǎng)殖戶原有的設(shè)備，如監(jiān)控攝像頭、發(fā)電機、水泵、增氧機等，大大降低設(shè)備投入費用。另外，系統(tǒng)運行維護費用極低，其中4G 通信單元為各智能部件的遠(yuǎn)程控制提供Wi-Fi 信號，流量卡如使用60 G/年的4G 流量包年套餐，年費不到百元，比起當(dāng)前農(nóng)村養(yǎng)殖戶使用手機報警業(yè)務(wù)，費用更低，功能更強大、完善，極大利于市場推廣。