CN107094683A - 一种水产养殖的自动投饵和水质监测控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水产养殖的自动投饵和水质监测控制系统及方法，该系统包括：移动式双体船：用以在水产养殖池塘中的多个饵料监测点间的投饵路径上运动；水下饵料识别视频监控模块：用以获取饵料监测点处饵料剩余状况的图片并上传到控制中心；水质监测模块：设置在移动式双体船下部，用以获取水产养殖中的水质参数，并上传到控制中心；自动投饵机：设置在移动式双体船上部，用以投放饵料；控制中心：用以获取和显示水质参数，并且根据饵料剩余状况的图片获取剩余饵料比例，并控制自动投饵机的投饵动作。与现有技术相比，本发明中的投饵控制系统为有反馈闭环系统，具有准确检测、实用性强、实时动态获取水质的三维信息、信息管理全面等优点。

Description

一种水产养殖的自动投饵和水质监测控制系统及方法

技术领域

本发明涉及水产养殖自动化领域，尤其是涉及一种水产养殖的自动投饵和水质监测控制系统及方法。

背景技术

水产养殖自动化技术是集机、电、化、仪、生物工程、水处理为一体，通过一系列自动控制、生物、物理、化学手段，对养殖水体和生态条件进行处理、监测和控制，创造出最适宜养殖生物生长的水体环境，达到增加产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。加拿大、挪威、美国、日本等渔业相对发达的国家，水产养殖自动化技术的研究起步较早，自动控制技术已经相当先进。目前，我国在水产养殖自动化方面也取得了不少进展。

自动投饵系统综合了图像处理技术、视频检测技术、无线控制技术、自动导航技术、传感器技术，能够协作地获取水下饵料视频、采集投饵分布区域的各种环境数据，将这些信息传至服务器，由残留饵料检测算法计算出剩余饵料量，最终控制饵料的适量投放。由于其简单易用、可靠、自动化程度高、经济效益高，应用前景十分广阔，可以大力推广于虾、蟹、淡水鱼、海水养殖场所，可节约饵料的投放，提高养殖人员的工作效率。目前，已经引起国内外众多学者的广泛关注，亦得到工厂化养殖的青睐。

关于自动投饵控制系统应用研究，国外相对比较先进，主要针对特定的经济类鱼。1995年，有国外学者为大西洋鲑鱼的网箱养殖开发了一套鱼饵识别系统。鱼饵检测算法包括：水下视频的获取、帧序列的提取、帧序列的预处理、帧序列中的物体识别、物体特征提取、物体分类、物体匹配和鱼饵计数。还有学者，通过实验证明了自反馈系统在节约饲料浪费，提高投入产出比方面的优势。亦有学者通过将水下摄像机和声呐综合起来应用从而达到调节饲料投喂的目的。

国内一些大学、科研单位、科技公司，如河海大学、南京航空航天大学、长江水产研究所、上海金蟹水产科技有限公司等已经初步开展了在水产养殖自动化系统方面的相关研究工作。但从总体来讲，国内自动投饵控制系统应用研究起步较晚，大多还停留在基础理论跟踪国际研究阶段，非常缺乏典型的实际应用示范及产业竞争优势。

目前国内，自动投饵控制系统在养殖场所的应用，鲜见报道。自动投饵控制系统应用研究不够成熟，尚处于试验阶段，没有开发出完整的、稳定的、便捷的适合养殖场所使用的自动投饵控制系统。现在自动投饵控制系统研究主要分为以下几个方面：

1)缺乏准确、可靠的残留饵料检测算法，现有基于计算机视觉技术的专门用于残留饵料检测的算法具有如下缺点：①检测精度不够、不能满足投饵需求；②在实验室环境下测试通过的算法应用条件苛刻，远远达不到养殖场所的实际要求；③遇到特殊情况下，部分算法无法处理，需借助于人工；④针对不同水下光照环境，训练过程需要不断重复以学习出适合不同环境的代价函数参数，过程太过繁琐；

2)目前的自动投饵机，功能单一，仅仅能够实现自动投饵，投饵不够均匀，抛撒面积小，无法根据池塘中鱼或虾等的聚集情况做出调整；目前的自动投饵船是单体船，稳定性差，续航时间短，装载量十分有限，需人工控制船体的走向；

3)目前的自动投饵属无反馈饲喂系统，无法对养殖生物的进食情况、生长情况、水环境情况进行反馈跟踪，凭经验制定投饵量、换水、增氧，或者需进行一定比例的打捞来估计养殖生物的生长情况，不够可靠准确，不利于养殖生物品质的提升；

从目前的研究情况看，关于自动投饵控制系统在水产养殖自动化中的应用大部分仅仅在理论层次局部展开，是分开相互独立进行的，远未达到满足养殖场所实际应用的要求。关于探讨数字化水产养殖、建立水产养殖自动投饵控制系统，实现池塘养殖的自动、精确投饵的研究尚未见报道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有反馈、准确检测、实用性强、实时动态获取水质的三维信息、信息管理全面的水产养殖的自动投饵和水质监测控制系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种水产养殖的自动投饵和水质监测控制系统，该系统包括：

移动式双体船：用以在水产养殖池塘中的多个饵料监测点间的投饵路径上运动；

水下饵料识别视频监控模块：用以获取饵料监测点处饵料剩余状况的图片并上传到控制中心；

水质监测模块：设置在移动式双体船下部，用以获取水产养殖中的水质参数，并上传到控制中心；

自动投饵机：设置在移动式双体船上部，用以投放饵料；

控制中心：用以获取和显示水质参数，并且根据饵料剩余状况的图片获取剩余饵料比例，并控制自动投饵机的投饵动作。

所述的水质监测模块通过可自由伸缩的伸缩杆与移动式双体船连接。

所述的控制中心设置在控制室内，所述的移动式双体船及水下饵料识别视频监控模块、水质监测模块和自动投饵机设有多套，分别设置在多个池塘内。

所述的控制中心通过433无线通信模块与自动投饵机通信，所述的水下饵料识别视频监控模块通过数据视频线与控制中心通信。

所述的水下饵料识别视频监控模块采用水下红外摄像机。

所述的饵料监测点设置在池底，包括插入水底淤泥中的支架，所述的支架上设有饵料收集圆盘，所述的水下红外摄像机布置在饵料收集圆盘正上方支架上的可伸缩悬臂上。

一种控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据池塘的大小、养殖生物的聚集特点，布置饵料监测点和移动式双体船的投饵路线；

步骤S2：控制中心分别获取饵料监测点的水下红外摄像机实时拍摄的视频图像以及水质监测模块获取的水质参数；

步骤S3：控制中心以一定频率从视频中抓取图片，并利用剩余饵料检测方法获得剩余饵料的数量，并根据设定的档位阈值确定下一时刻饵料的投放速率，并向自动投饵机发出投饵指令；

步骤S4：自动投饵机在接收指令后进行投饵，水下红外摄像机对饵料剩余状况实时反馈。

所述的步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：截取视频图像的视频帧，并将其转变为灰度图像；

步骤S32：利用自适应阈值分割算法将灰度图像中的饵料与背景分割，并将饵料区域的像素灰度值设为255，即白色，其它区域像素灰度值设为0，即黑色；

步骤S33：对白色区域进行像素点数计数，得到图像中剩余饵料的数量和比例。

所述的步骤S1中，饵料监测点的布置方式为：

从离岸边距离r处开始布置饵料监测点，每隔2r布置下一个饵料监测点。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、准确检测残留饵料剩余情况，基于计算机视觉技术的残留饵料检测算法考虑了水下光照不均匀、水的吸收效应等情况，有效融合OTSU、EM算法，能实时准确可靠得到饵料信息反馈，数据表明残留饵料检测误差较小，完全可以满足自动投饵控制要求；

2、移动运动平台实用性强，采用移动式双体船，载重量大，稳定性强，受风浪影响较小，船舶操纵性良好，续航时间长；

3、无线控制的投饵机变档速运行，本发明采用的投饵机体积均匀，搭载在移动式双体船上，不改变移动式双体船结构，不影响船只稳定性，且分5个档位，完全满足根据残饵检测算法得出的投饵量进行投放的要求；433M接收模块能够接收发射端发射的投饵等级信号，通过单片机进行解析转换为电压信号，输出给控制驱动板驱动电机；

4、实时动态获取水质的三维信息，有利于养殖生物生长，多参数水质监测模块搭载在移动式双体船上，可以监测双体船移动过的水面的数据，配合伸缩杆使用，还可测得水下不同深度的信息，覆盖具有代表性数据采集点，可以准确获得生物生长的环境参数，控制养殖生物的生长环境，有利于养殖生物品质的改善；

5、信息管理全面，建立智能信息管理中心，完成所有信息的汇总、统计、分析和处理，控制中心可进行视频监控、录像、回放、饵料分析以及阈值的设定等操作，控制自动投饵机，储存、显示水质监测数据，亦具有网络传输功能，可实现网络远程管理。

附图说明

图1为本发明自动投饵控制系统的组成示意图；

图2为布置在水下的饵料监测点的截图；

图3为残留饵料检测算法的体系结构图；

图4为算法处理程序的流程图。

其中，1、水下饵料识别视频监控模块，2、水质监测模块，3、移动式双体船，4、自动投饵机，5、控制中心。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，图为本发明自动投饵控制系统的结构示意图，单个池塘中的投饵控制系统由若干饵料监测点、一个移动式双体船3组成，其中移动式双体船3上面搭载了自动投饵机4、多参数的水质检测模块2，而控制中心5则对所有池塘进行统一管理和监控。在单个池塘中，移动式双体船3在池塘水面移动，同时进行饵料投放和监测水质情况，所有数据都汇聚至控制中心5进行处理、分析、显示、存储。各个饵料监测点通过水下饵料识别视频监控模块1将采得的残留饵料剩余情况的视频传输至控制中心5，控制中心5由残留饵料检测算法结合设定的不同档位的剩余饵料比例阈值得出下一时刻的投放速率，经由433无线模块的发射端发送至自动投饵机4侧的433无线接收模块，当移动式双体船3移动至对应的饵料监测点附近时，投饵机4依据算得的投饵量来调整档速。在移动式双体船移动过程中，水质检测模块2将实时测得的数据传送至控制中心5，当监测的数据超标影响养殖生物生长时，由控制中心5显示发送警报。

如图2所示，本发明的残留饵料检测算法采取顺序结构，分为三部分：帧的获取程序、算法处理程序、计数程序。帧的获取程序接收水下摄像机传输的视频，按照设定频率截取视频帧，保存为jpg格式；算法处理程序对截取好的图像进行处理，本算法中鱼饵是我们感兴趣的目标，为了去除图片中的冗余信息，在对图像处理前我们将彩色图像转换为灰度图像去进行处理，根据改进的自适应阈值分割方法将感兴趣的前景物体标记为白色，不感兴趣的背景物体标记为黑色；计数程序对得到的二值图像中的前景像素点进行计数，最终给出图像中剩余饵料的数量和比例。

如图3所示，基于计算机视觉的残留饵料检测方法的具体步骤如下：

(1)首先将水下图像转换为灰度图。所谓灰度图像，就是将彩色图像按色彩值划分到0-255的灰度区间内。0代表纯黑，255代表纯白。因此根据色彩值及亮度的不同，每个像素具有不同的灰度值，这就是灰度图的基本原理。灰度图由于将色彩值归一化到了0-255之间，所以具有计算简单等优点。

(2)因为水下光照条件较差，从视频中获取的图片质量较差，所以本发明中将改进原始的OTSU算法用于局部分割，对每一个像素点进行处理。所以在图像处理之前，图像的边界必须要进行扩展，否则边界的像素便无法正确处理；

(3)选取合适大小的遮罩窗口，从原图像最左上角开始用遮罩窗口扫描整幅图像，以此来对原始图像中的每一个像素点进行处理；

(4)对遮罩窗口内的像素灰度值进行分析处理，先用EM算法(期望最大化算法)对遮罩窗口的灰度直方图进行拟合，拟合之后判断混合高斯模型内两个单高斯分布的均值之差；若该差值大于既定类间距，则认为该窗口为前景窗口，否则判定该窗口为背景窗口；

(5)将每一个小窗口看作一幅图像，根据最大类间方差原则求得其Otsu阈值。具体为记t为某一从0到255遍历的值，分别将灰度值大于和小于t的像素点记为前景和背景像素点，分别计算前景像素点占整个图像的比例为ω₀，前景部分的平均灰度为μ₀；背景像素点占图像比例为ω₁，背景的平均灰度为μ₁。则图像的平均灰度为μ＝ω₀×μ₀+ω₁×μ₁。然后从最小灰度到最大灰度遍历t，当存在t使得值g＝ω₀×(μ₀-μ)²+ω₁×(μ₁-μ)²最大时，t即为分割的最佳阈值，也就是Otsu阈值。对于前景窗口，中心像素阈值＝Otsu阈值-补偿值δ，补偿值是根据具体的水下浑浊程度算出的；对于背景窗口，中心像素阈值＝两个高斯分布中较小的均值-2.5倍该分布标准差；

(6)比较遮罩窗口中心像素灰度值与相应阈值，若像素灰度值大于阈值，二值图像相应像素设为0，即黑色，否则设为255，即白色；

(7)判断中心像素是否为最左下角像素，若是则结束处理，否则右移一个像素，重复自适应阈值分割算法，即步骤(4)-(6)。

计数程序使用基于轮廓跟踪的连通区域法统计二值图像的分割结果，将识别的鱼饵标示出来，得出剩余饵料的数量，而剩余饵料的比例即为前景像素点占整个图像的比例。

本发明水产养殖自动投饵控制系统的实现如图4所示流程进行。

首先水产养殖自动投饵控制系统满足以下假定：①池塘外边界在433无线通信的传输距离之内；②各个饵料监测点之间无需通信，投饵机、水质监测模块之间无需通信；③所有饵料监测点均具有相同的功能、通信能力。

步骤S-1：根据池塘的大小、养殖生物的聚集特点，布置饵料监测点：从离岸边r处开始布置饵料监测点，隔2*r布置一个饵料监测点；饵料监测模块包括100*40*40(单位：cm)的长方体形不锈钢支架、水下红外摄像机、37*37(单位：cm)的白色圆盘，饵料监测点布置在接近池底处，支架插入水底淤泥中，支架上的白色圆盘用来收集水面上落下的饵料，水下红外摄像机则布置在圆盘的正上方的支架。

步骤S-2：安装图像采集卡及驱动软件，测试饵料监测点的视频是否准确地传输至主控设备，且清晰度能否满足残留饵料检测算法的要求；本发明采用电源信号一体线作为信号传输线，同时又可给摄像机、LED电源供电。

步骤S-3：在移动式双体船下面安装伸缩杆、固定水质监测模块，保证伸缩杆可以自由伸缩、主控设备和水质监测模块的通信正常、数据格式匹配。

步骤S-4：检测433无线通信模块和投饵机通信是否畅通，手动发送投饵指令测试投饵机是否执行。

步骤S-5：根据池塘形状、养殖生物聚集特点，设定投饵路线。

步骤S-6：结合池塘内养殖生物种类的摄食量、养殖人员的饲养经验，设定投饵阈值、自动检测的时间间隔，或手动设定投饵机的档速。

步骤S-7：装载饵料。经过以上步骤，实现了应用于池塘的基于机器视觉的有反馈的自动投饵控制系统。

从全局出发对整个自动投饵系统的各个能耗设备进行协调优化控制管理，控制精确度高，节能效果好控制中心系统，便于管理；

本发明基于计算机视觉技术，结合无线网络传感技术等，可广泛应用于各种养殖场所，适合鱼、虾、蟹、龟等多种类型的养殖生物，可改善养殖生物品质，极大地提高了经济效益。

Claims (9)

1.一种水产养殖的自动投饵和水质监测控制系统，其特征在于，该系统包括：

移动式双体船(3)：用以在水产养殖池塘中的多个饵料监测点间的投饵路径上运动；

水下饵料识别视频监控模块(1)：用以获取饵料监测点处饵料剩余状况的图片并上传到控制中心(5)；

水质监测模块(2)：设置在移动式双体船(3)下部，用以获取水产养殖中的水质参数，并上传到控制中心(5)；

自动投饵机(4)：设置在移动式双体船(3)上部，用以投放饵料；

控制中心(5)：用以获取和显示水质参数，并且根据饵料剩余状况的图片获取剩余饵料比例，并控制自动投饵机(4)的投饵动作。

2.根据权利要求1所述的一种水产养殖的自动投饵和水质监测控制系统，其特征在于，所述的水质监测模块(2)通过可自由伸缩的伸缩杆与移动式双体船(3)连接。

3.根据权利要求1所述的一种水产养殖的自动投饵和水质监测控制系统，其特征在于，所述的控制中心(5)设置在控制室内，所述的移动式双体船(3)及水下饵料识别视频监控模块(1)、水质监测模块(2)和自动投饵机(4)设有多套，分别设置在多个池塘内。

4.根据权利要求1所述的一种水产养殖的自动投饵和水质监测控制系统，其特征在于，所述的控制中心(5)通过433无线通信模块与自动投饵机(4)通信，所述的水下饵料识别视频监控模块(1)通过数据视频线与控制中心(5)通信。

5.根据权利要求3所述的一种水产养殖的自动投饵和水质监测控制系统，其特征在于，所述的水下饵料识别视频监控模块(1)采用水下红外摄像机。

6.根据权利要求5所述的一种水产养殖的自动投饵和水质监测控制系统，其特征在于，所述的饵料监测点设置在池底，包括插入水底淤泥中的支架，所述的支架上设有饵料收集圆盘，所述的水下红外摄像机布置在饵料收集圆盘正上方支架上的可伸缩悬臂上。

7.一种采用如权利要求1-6任一项所述水产养殖的自动投饵和水质监测控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据池塘的大小、养殖生物的聚集特点，布置饵料监测点和移动式双体船的投饵路线；

步骤S2：控制中心分别获取饵料监测点的水下红外摄像机实时拍摄的视频图像以及水质监测模块获取的水质参数；

步骤S3：控制中心以一定频率从视频中抓取图片，并利用剩余饵料检测方法获得剩余饵料的数量，并根据设定的档位阈值确定下一时刻饵料的投放速率，并向自动投饵机发出投饵指令；

步骤S4：自动投饵机在接收指令后进行投饵，水下红外摄像机对饵料剩余状况实时反馈。

8.根据权利要求7所述的一种控制方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：截取视频图像的视频帧，并将其转变为灰度图像；

步骤S32：利用自适应阈值分割算法将灰度图像中的饵料与背景分割，并将饵料区域的像素灰度值设为255，即白色，其它区域像素灰度值设为0，即黑色；

步骤S33：对白色区域进行像素点数计数，得到图像中剩余饵料的数量和比例。

9.根据权利要求7所述的一种控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中，饵料监测点的布置方式为：

从离岸边距离r处开始布置饵料监测点，每隔2r布置下一个饵料监测点。