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CN106886179A - 一种水产养殖精准投喂控制系统及方法 - Google Patents

一种水产养殖精准投喂控制系统及方法 Download PDF

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CN106886179A CN201710121264.6A CN201710121264A CN106886179A CN 106886179 A CN106886179 A CN 106886179A CN 201710121264 A CN201710121264 A CN 201710121264A CN 106886179 A CN106886179 A CN 106886179A
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China
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sensor
fish
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aquaculture
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沙宗尧
王春芳
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Wuhan University WHU
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Wuhan University WHU
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/04Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0423Input/output
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01KANIMAL HUSBANDRY; AVICULTURE; APICULTURE; PISCICULTURE; FISHING; REARING OR BREEDING ANIMALS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NEW BREEDS OF ANIMALS
    • A01K61/00Culture of aquatic animals
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
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Abstract

本发明公开了一种水产养殖精准投喂控制系统及方法,系统包括喂食对象(即鱼类)的行为探测传感器、单片机、步进电机和电源;单片机分别与传感器、步进电机连接,电源分别为传感器、单片机、步进电机提供电力;在饲料投喂区一定范围的水域中,布置一组传感器,用于获取鱼群的活动频度信息,并将获取的活动频度信息传递给所述单片机;所述单片机根据鱼群的活动频度信息,控制所述步进电机的开启和关闭,进而实现控制饲料机的开启和关闭。本发明结构简单、安装简单、维护方便,传感器仅用一些弹性纤维或弹簧片即可实现,在水体下不需要任何电气设备,安装、维护(更新)都非常便利。

Description

一种水产养殖精准投喂控制系统及方法
技术领域
本发明属于养殖设备技术领域,具体涉及一种水产养殖精准投喂控制系统及方法。
背景技术
我国是一个渔业大国,在水产养殖中,养殖活动所产生的经济效益及生态效益,往往与养殖的方式有密切关系。目前,渔民喂鱼通常是按照自己的经验,来判断饲料的投喂量和投喂时间,这种方式存在诸多问题:鱼的食量不仅与鱼的生长阶段、每日的喂养时段有关,还与天气、水温及鱼的实时状态有关,使得投喂量和投喂时间无法精准把控,一方面渔民不知道鱼的准确“食量”,但又担心鱼吃不饱,所以要不出现鱼的挨饿现象,要不加大投喂量,而过量的饲料在水中未被鱼群进食,沉入水底分解成氮、磷化合物,对水体造成污染,这都使得。为了实现精准投喂自动控制,已有的一些方法,存在不少局限性,如基于水下摄像头观察法,往往受到水体的颜色、浑浊度的影响。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供的一种自动实现精准投喂,避免造成了饲料的浪费,避免过量饲料给水体带来的污染,同时也保证了鱼达到"饱食"点水产养殖精准投喂控制系统及方法。
本发明的系统所采用的技术方案是:一种水产养殖精准投喂控制系统,其特征在于:包括对喂食对象的行为进行探测的传感器、单片机、步进电机和电源;
所述单片机分别与所述传感器、步进电机连接,所述电源分别为所述传感器、单片机、步进电机提供电力;
在饲料投喂区一定范围的水域中,布置一组所述传感器,用于获取鱼群的活动频度信息,并将获取的活动频度信息传递给所述单片机;所述单片机根据鱼群的活动频度信息,控制所述步进电机的开启和关闭,进而实现控制饲料机的开启和关闭。
本发明的方法所采用的技术方案是:一种水产养殖精准投喂控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:开启饲料机,开始投饲;
步骤2:鱼群触碰所述传感器,记录每一个传感器的每一个时间点T上被触碰的次数F;
步骤3:根据触碰频次F,绘制时间T-频次F曲线,从而获取饲料机最佳停止时间点。
与传统人工投喂的方式相比,本发明技术方案具有下述明显优点:
1、人工喂食依赖于人的经验(如根据鱼的生长阶段、鱼的总量决定投喂量),如鱼的即时状态、水体环境都会影响鱼的摄食量都会对实际投喂需求产生较大影响,而本方法依据鱼的本身行为,可精准探测鱼群“饱食”点,避免传统人工方式依赖于人的经验而导致的不准确性。
2、自动实现精准投喂,避免造成了饲料的浪费,避免过量饲料给水体带来的污染,同时也保证了鱼达到"饱食"点。
3、节省了人工成本,不需要渔民每天几次都到养殖区去投喂,尤其是大型的水产养殖区,这套系统将能够节省大量的人工。
与其它自动投喂系统如水下摄像头方式相比,本发明技术方案也具有下述优势:
1、基于鱼的行为模式获取“饱食”点,避免其它方式依赖于环境因素(如光照)的弊端。
2、结构简单、安装简单、维护方便,传感器仅用一些弹性纤维或弹簧片即可实现,在水体下不需要任何电气设备,安装、维护(更新)都非常便利。
附图说明
图1:本发明实施例的传感器阵列采用并联连接示意图。
图2:本发明实施例的传感器阵列采用串联连接示意图。
图3:本发明实施例的时间-频次(T-F)曲线。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明,下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述,应当理解,此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供的一种水产养殖精准投喂控制系统,包括包括对喂食对象的行为进行探测的传感器、单片机、步进电机和电源;单片机分别与传感器、步进电机连接,电源分别为传感器、单片机、步进电机提供电力;在饲料投喂区一定范围的水域中,布置一组传感器,用于获取鱼群的活动频度信息,并将获取的活动频度信息传递给单片机;单片机根据鱼群的活动频度信息,控制步进电机的开启和关闭,进而实现控制饲料机的开启和关闭。
单片机控制系统实现传感器频率自动计数装置。有并行检测和串行检测两种方式。触碰探测开关固定在上固定面上,可分为若干组,每组对应固定面的一行,在并行检测时,当该组的任意一个触碰开关被触发(连通),单片机将按照该组触碰开关被触碰的个数进行累计计数(图1),当进行串行检测时,在同一时间,当同一组的两个或多个触碰开关被同时触碰时,仅计数一次(图2),并行检测的精度高,但对单片机的IO输入接口数要求较高,串行检测精度稍差,但可以用最简单的51单片机就可以完成。
对于上述内容中的传感器部分的内容,可以采用拉线法和悬多叉树法两种方案。对于单片机控制系统,可以采用经验频率拐点或稳定时间点法。单片机控制系统实现传感器频率自动计数装置,可以有串联和并联法。
本发明提供的一种水产养殖精准投喂控制方法,包括以下步骤:
步骤1:开启饲料机,开始投饲;当鱼群听到饲料机响起,游到投喂区域时,鱼群会触碰传感器;
步骤2:鱼群触碰所述传感器,记录每一个传感器的每一个时间点T上被触碰的次数F;
步骤3:当鱼群饱食之后,会慢慢散去,离开投喂区域时也会传感器进行计数。根据触碰频次F,绘制时间T-频次F曲线,从而获取饲料机最佳停止时间点。
连续记录从投喂开始的传感器计数,形成时间-频次(T-F)曲线,分析T-F曲线,采用F对T的数学拐点(一阶导数最大时对应的T)、经验频率拐点(如当F=20%*Max(F)时,F值所对应的时间点T)或F低于某个阈值且相对稳定时的时间点T,根据养殖对象的特点,可采用经验频率拐点或稳定时间点作为鱼的“饱食”点,并在此时单片机给步进电机(饲料机)传递一个结束投喂信号。
请见图3,本实施例的时间-频次(T-F)曲线摄食行为模式理论,以时间为横坐标、频率为纵坐标,形成的反映摄食活跃程度的曲线,可分为4个区域:始食区、争食区、过渡区和饱食区。其中始食区时间较短,很快进入争食区,经历过渡区(频率快速下降),到达饱食区。
基于时间-频次(T-F)曲线计算经验频率拐点、稳定时间点的方法,并以此确定鱼的“饱食”点。图3中,计算过渡区的方法,先用3次(或n次,n>=3)移动平均获取移动平均曲线,计算曲线的一阶导数,获取最小一阶导数值对应的T作为拐点,之后再计算连续两个频率采样点的一阶导数接近0(满足>-0.05且<0.05)时对应的T作为进入饱食区的入口点(即稳定时间点)。此处采用n次平均的目的,是避免T-F曲线的不平滑导致求导困难。
本发明设计的一套以传感器为信息获取源、以单片机为控制器、以步进电机为反馈控制的三部件精准养殖投喂控制系统,传感器部件是该系统的核心部件,基本原理是基于鱼的摄食行为模式,即在饲料投喂区一定范围的水域中,布置一组传感器,当投喂开始时,饲料投入水体中,此时鱼处在最饥饿状态下,鱼群在投喂区的活动将快速而频繁,这种运动通过鱼体与传感器的相互接触而被感应到,获取到最大活动频度(Max(F)),系统持续打开投喂开关进行饲料投喂,传感器持续监测并记录鱼的活动频率(F),而当一定时间后鱼群“吃饱”了,鱼群开始离开投喂区域,且鱼体的游动速度变缓,此时也会被传感器感应到,通过绘制时间-活动频率曲线,形成随投喂时间(T)逐渐降低的F值曲线,通过分析T-F曲线,就可以发现鱼被“喂饱”的经验频率拐点(如当F=20%*Max(F)的时间点T)或稳定时间点T,从而单片机给饲料机的步进电机开关发出停止信号,控制电机关闭,饲料机停止投喂。
相比传统方式,这套系统不依赖于环境因素(如水温、光线),仅通过鱼自身的行为模式,精准地判断出鱼群“饱食”时间点,进而精准控制饲料机停止投喂,避免造成饲料浪费污染水体的现象,也满足了喂食对象对摄食量的需求。
应当理解的是,本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是,上述针对较佳实施例的描述较为详细,并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下,还可以做出替换或变形,均落入本发明的保护范围之内,本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种水产养殖精准投喂控制系统,其特征在于:包括对喂食对象的行为进行探测的传感器、单片机、步进电机和电源;
所述单片机分别与所述传感器、步进电机连接,所述电源分别为所述传感器、单片机、步进电机提供电力;
在饲料投喂区一定范围的水域中,布置一组所述传感器,用于获取鱼群的活动频度信息,并将获取的活动频度信息传递给所述单片机;所述单片机根据鱼群的活动频度信息,控制所述步进电机的开启和关闭,进而实现控制饲料机的开启和关闭。
2.根据权利要求1所述的水产养殖精准投喂控制系统,其特征在于:所述传感器通过弹性纤维或弹簧片布设在投喂区水域。
3.根据权利要求1所述的水产养殖精准投喂控制系统,其特征在于:所述传感器采用串联或并联连接,组成传感器阵列。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的水产养殖精准投喂控制系统,其特征在于:所述传感器采用拉线法和悬多叉树法布设在投喂区水域中。
5.一种水产养殖精准投喂控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:开启饲料机,开始投饲;
步骤2:鱼群触碰所述传感器,记录每一个传感器的每一个时间点T上被触碰的次数F;
步骤3:根据触碰频次F,绘制时间T-频次F曲线,从而计算饲料机最佳停止时间点。
6.根据权利要求5所述的水产养殖精准投喂控制方法,其特征在于:步骤2中,若传感器阵列采用并联连接,在同一时间点上,单片机将按照传感器被触碰的个数进行累计计数;若传感器阵列采用串联连接,在同一时间点上,传感器阵列内两个或多个传感器被同时触碰时,仅计数一次。
7.根据权利要求5或6所述的水产养殖精准投喂控制方法,其特征在于:步骤3中所述时间T-频次F曲线,为4个区域:始食区、争食区、过渡区和饱食区。
8.根据权利要求7所述的水产养殖精准投喂控制方法,其特征在于:所述过渡区的方法是,先用n次移动平均获取移动平均曲线,计算曲线的一阶导数,获取最小一阶导数值对应的T作为拐点,之后再计算连续两个频率采样点的一阶导数大于-0.05且小于0.05时对应的T作为进入饱食区的入口点。
9.根据权利要求5或6所述的水产养殖精准投喂控制方法,其特征在于:步骤3中所述最佳停止时间点,为鱼的“饱食”点;分析T-F曲线,经验频率拐点或稳定时间点T即为最佳停止时间点。
10.根据权利要求9所述的水产养殖精准投喂控制方法,其特征在于:所述经验频率拐点,是当刚开始投喂饲料时,鱼类由于饥饿,相互争食将频繁触碰传感器,F值很高,而当喂食进行到一定时间后,当大多数鱼已经饱食,活动频度将显著降低,此时将出现一个触碰频次的拐点,即为经验频率拐点。
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