CN106614243A - 一种用于池塘循环流水养殖的高效集污和智能投饲系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于池塘循环流水养殖的高效集污和智能投饲系统，包括养殖池、集污槽、集污辅助装置、投饲装置等；该系统主要利用集污槽及集污辅助装置结合流体特性对养殖池内粪便进行分离，并借助计算机视觉技术分别对养殖池投喂量和投喂范围进行预估和控制。本发明的系统结构新颖，原理简单，本发明的高效集污和智能投饲系统适用于池塘循环流水养殖模式，能有效地解决现有现有池塘循环流水养殖系统中粪便等杂物分离效率低且易破碎以及饲料投喂难题。

Description

一种用于池塘循环流水养殖的高效集污和智能投饲系统

技术领域

本发明涉及一种高效集污装置和智能投饲系统，更具体地说涉及一种能高效收集池塘循环流水养殖池内粪便等杂物的集污装置和根据池道大小、鱼群饱食程度实时调整饲料投喂范围及投喂量的智能投饲系统。

背景技术

随着人民群众生活水平提高及健康意识的增强，人们对蛋白质的需求逐渐增加。鱼肉作为优质蛋白质的来源，近年其消费量的增加十分显著，这极大地促进了水产养殖业的高速发展。国内水产养殖多为户外大塘粗放养殖模式，其池塘整体结构比较简陋，较少使用设施装备，池塘管理粗放，为确保水质，养殖密度通常较低。对于池塘高密度养殖，其塘内固体废弃物排放以及饲料投喂已成难题。固体废弃物无法及时排出，易导致水质恶化和病害的发生；饲料无法全池抛洒会导致鱼群争抢饲料行为加剧，易使其受伤，且饲料投喂量不能根据鱼群当前饱食程度做出调整，易会造成饲料浪费并污染水质。目前养殖户多依靠大量换水和人工投喂来解决上述问题，然而该方法不但费时费力，且对水资源和环境带来了沉重的压力，在此背景下，池塘循环流水养殖系统作为环境友好型水产养殖模式得到了快速推广应用。

池塘循环流水养殖过程中，鱼主要养殖在水槽流水区，流水区末端设有吸污区，外围大塘为回水处理区并不进行养殖，主要种植一定的水草调节水质。然而，回水处理区的处理能力是有限的，因此，吸污区固体废弃物分离效果好坏直接影响水体水质情况，间接地影响着环境效益和经济效益。现有池塘循环流水养殖中固体废弃物收集效率只有30％左右，极大影响后续水体净化。而在投喂方面，饲料全池抛洒和实时决断投喂量是关键。目前，池塘循环流水养殖中，主要以人工投饲和机器自动投饲为主；人工投饲费时费力，成本过高；机器自动投饲虽能有效降低人工成本，但很难实现饲料全池抛洒，且投喂量仍需要人工预先设定，很容易造成投喂饲料过剩或不足。综上所述，无论是在集污还是投饲方面，上述难题都很大程度上限制了池塘循环流水养殖模式的进一步推广。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于池塘循环流水养殖的高效集污和智能投饲系统，该系统可实现：1.将池塘循环流水养殖水体内的粪便等固体废弃物及时排出，降低对池塘循环流水系统中回水处理区的工作负荷，有效地分离水体养殖区水体内固体废弃物，并实现水资源的重复利用；2.缓解鱼群摄食时造成的拥挤、争斗行为，提高饲料利用率，实现池塘循环流水养殖中的全池抛洒投喂并根据鱼群饱食程度实时改变投喂量。

本发明的用于池塘循环流水高效集污和智能投饲系统，包括养殖池、设置于养殖池头部的投饲装置、安装于养殖池尾部的集污槽、集污槽为上部呈半圆弧面下部呈锥台状的槽体，其上部半圆弧面的直径同养殖池的宽度相同，在上部半圆弧面的上边缘开有出水缺口，出水缺口长度为半圆弧面弧长的一半，在养殖池内还设有集污辅助装置。

上述技术方案中，优选地，所述的集污辅助装置包括导流板，导流板安装于养殖池与集污槽相接处并与养殖池侧壁呈夹角，在集污槽内侧壁和导流板背面贴近养殖池侧壁的一端分别安装有一只气泵，所述气泵安装高度相同，曝气方向可调。

优选地，所述的集污辅助装置包括栅板组合，所述的栅板组合由多个平行栅板构成，所述的集污槽半圆弧面上部与锥台下部结合平面低于养殖池底面，栅板组合斜置于集污槽内，与养殖池底面呈45°夹角，栅板组合的下边沿位于上述结合平面上，其上边沿低于养殖池内水体高度。

更进一步的，所述的栅板组合的上边沿低于养殖池水体高度10cm。

优选地，所述的投饲装置包括DSP、变频气泵、PLC、投料口、投料器、广角高清摄像头、压力传感器、螺旋推进器，广角高清摄像头安装在投饲装置的顶部，压力传感器和螺旋推进器安装在投料器底端出口处，螺旋推进器连通投料口进料端，投料口同时与变频气泵及PLC相连，PCL控制调节投料口大小，养殖池水体内设置无线水温传感器、无线溶解氧传感器，广角高清摄像头、无线水温传感器、无线溶解氧传感器均与DSP相连，DSP、变频气泵、PLC、压力传感器、螺旋推进器与PLC相接。在养殖池池边还设有两枚圆形的荧光防水图标，一枚设于与投饲装置所处边沿相平行的另一池边中心，另一枚设于养殖池侧边的中心位置。

更进一步的，所述的广角高清摄像头朝向养殖池且镜头视线角度与水平面呈15度夹角。

应用上述用于池塘循环流水高效集污和智能投饲系统进行智能投饲的方法，包括如下步骤：

1)广角高清摄像头将实时拍摄画面传送至DSP；

2)DSP在RGB色彩模型下将当前画面中的荧光防水图标区域分割出，即分割出两个“形变”圆；

3)DSP利用Hough变换算法对两个“形变”圆的形变程度进行量化，并根据量化指标推断出养殖池的长度a和宽度b；该方法是图像处理技术领域所公知的，在此不再细述。

4)DSP将a和b传送至PLC，PLC根据a和b值调整变频气泵功率和投料口大小；

5)每次投喂前，DSP根据无线水温传感器和无线溶解氧传感器传回的水质参数信息，利用贝叶斯预测模型和生物能量学模型“Fish-PrFEQ”预估获得当前养殖池首次投喂量，由PLC控制投喂；

6)投喂过程中，广角高清摄像头将投喂实时画面传送至DSP；

7)DSP在HSV色彩模型下将实时画面中的反光区域分割出；

8)DSP利用Horn-Schunck光流算法提取出反光区域每个像素点的运动速度其中k₁×k₂为广角高清摄像头的分辨率，1≤m₁≤k₁，1≤n₁≤k₂；

9)DSP将速度的范围分为m个区间，H(j)为落入速度区间j内的运动矢量的个数，N是当前帧中非零运动矢量总数，P(j)为运动矢量落入速度区间j内的概率：P(j)＝(H(j)/N)×100％，0≤j≤m；

10)DSP利用信息熵对水体反光区域变化特征分布概率的无规律程度进行衡量：(其中lb即log₂)。

11)DSP对反光区域变化动能进行计算：

12)DSP将动能值实时传送至PLC，PLC根据动能值大小评估当前鱼群饱食程度，继而决断变频气泵和投料口、投料器是否停止工作。

本发明的有益效果是：本发明的系统结构新颖，原理简单，不但可根据实际养殖过程中养殖池水流速度大小以及粪便分布情况，调整集污辅助装置(如气泵的曝气方向和大小、平行栅板间距等)，达到最佳的粪便分离效果；还可根据养殖池大小调整投料口大小和变频气泵功率，达到全池抛洒效果，亦可通过水面反光程度间接衡量鱼群饱食程度，从而决断何时停止投喂。本发明适用于池塘循环流水养殖模式，能有效地解决现有池塘循环流水养殖系统中粪便等杂物分离效率低且易破碎以及饲料投喂难题。

附图说明

图1为本发明系统的大体结构示意图。

图2为集污槽的结构示意图，(a)为主视，(b)为侧视，(c)为俯视。

图3为养殖池、集污槽及一种集污辅助装置的结构示意图(视角为俯视养殖池)。

图4为图2的侧向视图。

图5为养殖池、集污槽及另一种集污辅助装置的侧向结构示意图。

图6为投饲装置的结构示意图。

图中：1-养殖池；2-导流板；3-气泵；4-集污槽；5-栅板组合；6-出水缺口；7-DSP7；8-变频气泵；9-PLC；10-投料口；11-投料器；12-广角高清摄像头；13-荧光防水图标；14-投饲装置；15-无线水温传感器；16-无线溶解氧传感器；17-压力传感器；18-螺旋推进器。

具体实施方式

本发明的用于池塘循环流水高效集污和智能投饲系统，包括养殖池1、设置于养殖池1头部的投饲装置14、安装于养殖池1尾部的集污槽4；如图2所示，集污槽4为上部呈半圆弧面下部呈锥台状的槽体，其上部半圆弧面的直径同养殖池1的宽度相同，在上部半圆弧面的上边缘开有出水缺口6，出水缺口长度为半圆弧面弧长的一半，其作用主要是确保能够和养殖池1赤壁对接，同时便于集污槽a4内涡流的形成。在养殖池内还设有集污辅助装置。

图3、4所示为一种集污辅助装置，导流板2安装于养殖池1与集污槽4相接处并与养殖池1侧壁呈夹角，可引导养殖池内出水集中在一侧排出，并保证无死角。在集污槽4内侧壁和导流板2背面贴近养殖池侧壁的一端分别安装有一只气泵3，气泵可增加水流速度，使集污槽4内产生一定强度的涡流，并保证导流板2背部无死水区。所述的两只气泵3安装高度相同，曝气方向可调，其作用是可以根据养殖池1内的速度以及固体废弃物(粪便)的大小形成最佳集污效果的涡流。

养殖过程中，养殖池1里的养殖水按照图2中v方向流动，在导流板2的作用下汇集在图1中养殖池1一侧流出进入集污槽4，经过集污槽4壁面安装的气泵3曝气的推动，集污槽4内养殖水流速变大，便于涡流的形成，另外位于导流板2后的气泵3进一步促进了涡流的形成，同时避免了导流板2后死水现象的发生，而位于上部已经过处理的养殖水在经过集污槽4排水口时流出，粪便等固体废弃物由于集污槽4内涡流的原因，汇集在集污槽4底部，此时可以外接水泵将此处固体废弃物排出，由于涡流的原因，此方式相对于传统开沟集污效率能够得到很大提高，达到高效集污的目的。

图5所示为另一种集污辅助装置，栅板组合5由多个平行栅板构成，所述的集污槽半圆弧面上部与锥台下部结合平面低于养殖池底面，栅板组合5斜置于集污槽4内，与养殖池1底面呈45°夹角，栅板组合5的下边沿位于上述结合平面上，其上边沿低于养殖池内水体高度。本实例中，所述的栅板组合5的上边沿低于养殖池1水体高度10cm。养殖水体循环过程中，在经过栅板组合5时，由于栅板组合5上边沿高度略低于养殖池1水面高度，养殖水体主要经过栅板组合5格栅板之间的栅格，先斜向下流经集污槽，由于重力和离心力等的作用，粪便等固体废弃物将被收集在集污槽中，从而达到高效集污的效果。

如图6所示，投饲装置14包括DSP7、变频气泵8、PLC9、投料口10、投料器11、广角高清摄像头12、压力传感器17、螺旋推进器18，广角高清摄像头12安装在投饲装置的顶部，朝向养殖池且最优选的，镜头视线角度与水平面呈15度夹角。压力传感器17和螺旋推进器18安装在投料器11底端出口处，螺旋推进器18连通投料口10进料端，投料口10同时与变频气泵8及PLC9相连，PCL9控制调节投料口10大小，养殖池水体内设置无线水温传感器15、无线溶解氧传感器16，广角高清摄像头12、无线水温传感器15、无线溶解氧传感器16均与DSP7相连，DSP7、变频气泵8、PLC9、压力传感器17、螺旋推进器18与PLC9相接。在养殖池池边还设有两枚圆形的荧光防水图标13，(见图1)一枚设于与投饲装置所处边沿相平行的另一池边中心，另一枚设于养殖池侧边的中心位置。

应用上述智能投饲装置的方法，包括如下步骤：

1)投喂装置14安装后，广角高清摄像头12将当前画面传送至DSP7；

2)DSP7在RGB色彩模型下将当前画面中的荧光防水图标13区域分割出，即分割出两个“形变”圆；

3)DSP7利用Hough变换算法对两个“形变”圆形变程度进行量化，并根据量化指标推断出养殖池1的长度a和宽度b；

4)DSP7将a和b传送至PLC9，PLC9根据a和b值调整变频气泵8功率和投料口8模式；

5)每次投喂前，DSP7根据无线水温传感器15和无线溶解氧传感器16传回的水质参数信息，并结合气象信息，利用贝叶斯预测模型和生物能量学模型“Fish-PrFEQ”对当前养殖池1首次投喂量进行预估；

6)投喂过程中，广角高清摄像头12将当前实时画面传送至DSP7；

7)DSP7在HSV色彩模型下将实时画面中的反光区域分割出；

8)DSP7利用Horn-Schunck光流算法提取出反光区域每个像素点的运动速度其中k₁×k₂为广角高清摄像头12的分辨率；

9)DSP7将速度的范围分为m个区间，H为落入速度区间内运动矢量个数的统计，N是当前帧中非零运动矢量总数，P为落入速度区间内运动矢量的概率：P(j)＝(H(j)/N)×100％，0≤j≤m；

10)DSP7利用信息熵对水体反光区域变化特征分布概率的无规律程度进行衡量：

11)DSP7对反光区域变化动能进行计算：

12)DSP7将动能值实时传送至PLC9，PLC9根据动能值大小评估当前鱼群饱食程度，即当动能值小于预先设定的阈值(该阈值依据人工经验设定)时，则判定目前鱼群饱食，继而PLC控制变频气泵8和投料口10、投料器11停止工作。

以上公开的仅为本专利的具体实施例，但本专利并非局限于此，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，做出的变形应视为属于本发明保护范围。

Claims (7)

1.一种用于池塘循环流水高效集污和智能投饲系统，其特征在于，包括养殖池(1)、设置于养殖池(1)头部的投饲装置(14)、安装于养殖池(1)尾部的集污槽(4)、集污槽(4)为上部呈半圆弧面下部呈锥台状的槽体，其上部半圆弧面的直径同养殖池(1)的宽度相同，在上部半圆弧面的上边缘开有出水缺口(6)，出水缺口长度为半圆弧面弧长的一半，在养殖池内还设有集污辅助装置。

2.根据权利要求1所述的用于池塘循环流水高效集污和智能投饲系统，其特征在于，所述的集污辅助装置包括导流板(2)，导流板(2)安装于养殖池(1)与集污槽(4)相接处并与养殖池(1)侧壁呈夹角，在集污槽(4)内侧壁和导流板(2)背面贴近养殖池侧壁的一端分别安装有一只气泵(3)，所述气泵(3)安装高度相同，曝气方向可调。

3.根据权利要求1所述的用于池塘循环流水高效集污和智能投饲系统，其特征在于，所述的集污辅助装置包括栅板组合(5)，所述的栅板组合由多个平行栅板构成，所述的集污槽半圆弧面上部与锥台下部结合平面低于养殖池底面，栅板组合(5)斜置于集污槽(4)内，与养殖池(1)底面呈45°夹角，栅板组合(5)的下边沿位于上述结合平面上，其上边沿低于养殖池内水体高度。

4.根据权利要求3所述的用于池塘循环流水高效集污和智能投饲系统，其特征在于，所述的栅板组合(5)的上边沿低于养殖池(1)水体高度10cm。

5.根据权利要求1所述的用于池塘循环流水高效集污和智能投饲系统，其特征在于，所述的投饲装置(14)包括DSP(7)、变频气泵(8)、PLC(9)、投料口(10)、投料器(11)、广角高清摄像头(12)、压力传感器(17)、螺旋推进器(18)，广角高清摄像头(12)安装在投饲装置的顶部，压力传感器(17)和螺旋推进器(18)安装在投料器(11)底端出口处，螺旋推进器(18)连通投料口(10)进料端，投料口(10)同时与变频气泵(8)及PLC(9)相连，PCL(9)控制调节投料口(10)大小，养殖池水体内设置无线水温传感器(15)、无线溶解氧传感器(16)，广角高清摄像头(12)、无线水温传感器(15)、无线溶解氧传感器(16)均与DSP(7)相连，DSP(7)、变频气泵(8)、PLC(9)、压力传感器(17)、螺旋推进器(18)与PLC(9)相接。在养殖池池边还设有两枚圆形的荧光防水图标(13)，一枚设于与投饲装置所处边沿相平行的另一池边中心，另一枚设于养殖池侧边的中心位置。

6.根据权利要求5所述的用于池塘循环流水高效集污和智能投饲系统，其特征在于，所述的广角高清摄像头(12)朝向养殖池且镜头视线角度与水平面呈15度夹角。

7.应用如权利要求5或6所述的用于池塘循环流水高效集污和智能投饲系统进行智能投饲的方法，包括如下步骤：

1)广角高清摄像头(12)将实时拍摄画面传送至DSP(7)；

2)DSP(7)在RGB色彩模型下将当前画面中的荧光防水图标(13)区域分割出，即分割出两个“形变”圆；

3)DSP(7)利用Hough变换算法对两个“形变”圆的形变程度进行量化，并根据量化指标推断出养殖池(1)的长度a和宽度b；

4)DSP(7)将a和b传送至PLC(9)，PLC(9)根据a和b值调整变频气泵(8)功率和投料口(10)大小；

5)每次投喂前，DSP(7)根据无线水温传感器(15)和无线溶解氧传感器(16)传回的水质参数信息，利用贝叶斯预测模型和生物能量学模型“Fish-PrFEQ”预估获得当前养殖池(1)首次投喂量，由PLC(9)控制投喂；

6)投喂过程中，广角高清摄像头(12)将投喂实时画面传送至DSP(7)；

7)DSP(7)在HSV色彩模型下将实时画面中的反光区域分割出；

8)DSP(7)利用Horn-Schunck光流算法提取出反光区域每个像素点的运动速度其中k₁×k₂为广角高清摄像头(12)的分辨率；

9)DSP(7)将速度的范围分为m个区间，H(j)为落入速度区间j内的运动矢量的个数，N是当前帧中非零运动矢量总数，P(j)为运动矢量落入速度区间j内的概率：P(j)＝(H(j)/N)×100％，0≤j≤m；

10)DSP(7)利用信息熵对水体反光区域变化特征分布概率的无规律程度进行衡量：

11)DSP(7)对反光区域变化动能进行计算：

$E_K=C\·{\left(\frac{v}{N}\right)}^2=-\left(\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}P\right(j\left)lb\right(P\left(j\right)\left)\right)\·{\left(\frac{\underset{m_1=1}{\overset{k_1}{\Σ}}\underset{n_1=1}{\overset{k_2}{\Σ}}\left|F(m_2,n_2)\right|}{N}\right)}^2;$

12)DSP(7)将动能值实时传送至PLC(9)，PLC(9)根据动能值大小评估当前鱼群饱食程度，继而决断变频气泵(8)和投料口(10)、投料器(11)是否停止工作。