CN113447952A - 一种基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法及系统，利用水面浮体探测由于鱼群抢食带动的水波波动，通过计算水波波动强度，控制饲料投喂机；水波波动的探测，采用与水面浮体关联的探测装置实现。本发明能够满足智慧渔业的要求，能够更精准地进行水产的养殖，特别是从饲料投喂上，根据养殖对象的饥饿程度，去控制饲料机投喂，对于节约饲料成本、控制水质环境，都具有重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及智慧渔业，更具体的说，提供一种基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法及系统。
背景技术
智慧渔业要求能够更精准地进行水产的养殖，特别是从饲料投喂上，如何根据养殖对象的饥饿程度，去控制饲料机的投喂开启时间，对于节约饲料成本、控制水质环境，都具有重要作用。我国是世界上最大的水产养殖国家，每年养殖需求的饲料量巨大，但由于无法精准确定养殖对象的饥饱，造成环境污染，也增加了养殖成本。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明提出一种基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法。
本发明技术方案提出一种基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法，利用水面浮体探测由于鱼群抢食带动的水波波动，通过计算水波波动强度，控制饲料投喂机；水波波动的探测，采用与水面浮体关联的探测装置实现。
而且，所述探测浮体运动的装置采用红外探测装置或其它可探测浮体运动频次或幅度的方法。
而且，所述红外探测装置包括红外对射管和回归反射型感应器，
红外对射管的发射端和接收端垂直于水平面设置；红外对射管的发射端在进行红外发射后，如果没有发生倾斜波动，会被相应的接收端接收到，但如果发生了倾斜位移，相应的接收端则接收不到；
回归反射型感应器由信号发射/接收端和信号反射镜组成，信号发射/接收端和信号反射镜平行于水平面设置；回归反射型感应器的信号发射/接收端进行红外发射后，如果没有发生上下波动，会被信号反射镜反射回来而接收到，如果发生了上下位移，将不会被反射回来，信号接收不到。
而且，设置信号发射固定杆连接水面浮体、红外对射管的接收端及回归反射型感应器的信号发射/接收端；其中，水面浮体连接到信号发射固定杆的底部，红外对射管的接收端设置在信号发射固定杆的顶部，回归反射型感应器的信号发射/接收端设置在信号发射固定杆的中间位置。
而且，设置单片机，接收红外对射管和回归反射型感应器的探测结果，并计算水波波动强度。
而且，水波波动的计算通过预设时间窗口的移动平均值或最大值实现。
而且，水面浮体采用塑料泡沫或其它具有漂浮材质的材料。
而且，水面浮体采用的形状为圆球、椭球或平板，在水面从上向下的垂直投影上为圆形。
另一方面，本发明还提供一种基于摄食行为的鱼群饥饿探测系统，用于实现如上所述的基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法。
优选地，包括供电电池、红外对射管、回归反射型感应器、水面浮体、信号发射固定杆、保护外罩、外罩固定支架和单片机，
供电电池为红外对射管、回归反射型感应器和单片机供电；
红外对射管的发射端和接收端垂直于水平面设置；红外对射管的发射端在进行红外发射后，如果没有发生倾斜波动，会被相应的接收端接收到，但如果发生了倾斜位移，相应的接收端则接收不到；
回归反射型感应器由信号发射/接收端和信号反射镜组成，信号发射/接收端和信号反射镜平行于水平面设置；回归反射型感应器的信号发射/接收端进行红外发射后，如果没有发生上下波动，会被信号反射镜反射回来而接收到，如果发生了上下位移，将不会被反射回来，信号接收不到；
信号发射固定杆连接水面浮体、红外对射管的接收端及回归反射型感应器的信号发射/接收端；其中，水面浮体连接到信号发射固定杆的底部，红外对射管的接收端设置在信号发射固定杆的顶部，回归反射型感应器的信号发射/接收端设置在信号发射固定杆的中间位置；
保护外罩垂直放置且底部一端和水平面齐平，外罩固定支架连接保护外罩，单片机接收红外对射管和回归反射型感应器的信号，并计算水面浮体的水波变化频次，根据频次的高低，判断鱼群摄食行为的活跃度，向饲料投喂机发送继续投料或关闭投料的指令。
本发明用于智慧渔业中精准控制饲料投喂机开启，当鱼群饥饿时，其摄食过程表现出争抢过程，造成水面波动明显，增加水波起伏的频次，可采用漂浮体探测水波的左右上下运动，再采用一些信号接收处理元件，如红外对射或反射方法，当水面漂浮体因水波起伏而产生左右和上下运动时，造成红外发射端的发送信号，将无法被接收端有效探测到，从而表明鱼群的抢食行为明显，控制器将发出继续投喂饲料的指令，反之当鱼群因饱食后而对抢食不感兴趣、漂浮体运动频率低时，大部分发送的红外信号都可以被正常接收到，则控制器发出关闭投喂机指令。本发明能够根据养殖对象的饥饿程度，去控制饲料机投喂，对于节约饲料成本、控制水质环境，都具有重要作用。
本发明方案实施简单方便，实用性强，解决了相关技术存在的实用性低及实际应用不便的问题，能够提高用户体验，具有重要的市场价值。
附图说明
图1是本发明实施例的装置基本组成示意图。
图2是本发明实施例中浮体(圆球体)不同的运动状态示意图。
图3是本发明实施例中浮体(浮板)不同的运动状态示意图。
图4是本发明实施例中浮体不同状态下的信号接收和控制示意图。
图5是本发明实施例的信号损失频度时间变化(横向和纵向信号频度损失之和，平均)示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进行本发明技术方案的具体说明。
本发明提出，利用浮体感受由于鱼群抢食带动的水波波动强度，通过计算水波波动强度，控制饲料投喂机。
具体实施时，水波波动的探测，采用与水面浮体关联的探测装置实现。例如，可采用与浮体相连接或置于浮体内部的特殊探测装置，包括但不限于红外探测方法。
水波波动的计算，可通过不同时间窗口的移动平均值实现，如采用30秒移动窗口，一般应在10秒-1分钟之间选择，可采用预先实验所得的经验值。水波波动强度的大小，用于驱动饲料投喂机的开关动作。
本发明实施例提出的基于摄食行为的鱼群饥饿探测系统，由如图1所示的A～H部件组成：
供电电池A为整个系统提供电力支持，为下述的部件B、C和H供电；
红外对射管B由一组红外发射和接收装置组成，其中发射端设置在保护外罩F顶部，接收端设置在下方，垂直于水平面设置；红外对射管的发射端进行红外发射后，如果没有发生倾斜波动，会被相应的接收端接收到，但如果发生了倾斜位移，相应的接收端则接收不到。
回归反射型感应器C由信号发射(接收)端和信号反射镜组成。回归反射型感应器C一般也是通过红外探测实现，但是C的信号发射和接收端为一体化实现，这种信号发射(接收)端按照行业习惯通常记为信号发射/接收端。信号发射(接收)端和信号反射镜平行于水平面设置，信号反射镜可以设置在保护外罩F侧面内壁上；回归反射型感应器C的信号发射(接收)端进行红外发射后，如果没有发生上下波动，会被信号反射镜反射回来而接收到，但如果发生了上下位移，将不会被反射回来，信号就接收不到。
水面浮体D感应水波变化，并将变化传递到B和C；
信号发射固定杆E连接了D、B的接收装置及C的信号发射(接收)端，且其相对水面的高度，可通过调整，从而便于使回归反射型感应器C的信号发射(接收)端和信号反射镜处于同一水平面(水面不波动时的初始状态)；其中，水面浮体D连接到信号发射固定杆E的底部，红外对射管B的接收端设置在信号发射固定杆E的顶部，回归反射型感应器C的信号发射(接收)端设置在信号发射固定杆E的中间位置。因此本发明从水波纵向上下位移和横向摆动位移两个方向上，分别利用回归反射红外探测(由C实现)和红外对射(由B实现)，捕获水波变化并计算波动强弱，指示鱼群饥饿程度。保护外罩F优选为圆柱体，垂直放置且底部一端和水平面齐平，用于防雨及提供电池等部件的固定作用，同时也可保证水面浮体D不会漂流到饲料投喂区外。外罩固定支架G可采用固定于池塘/养殖池或岸边的延伸杆，连接保护外罩F，起固定整个装置的作用，单片机接收控制H接收B和C的信号，并计算D的水波变化频次，根据频次的高低，判断鱼群摄食行为的活跃度，从而向饲料投喂机发送继续投料或关闭投料的指令。具体实施时，单片机接收控制H可以采用现有的单片机芯片产品实现，因此也经常简称为单片机，本发明不予赘述。
水面浮体D可漂浮于水面，其形状、大小和密度，对传递水波及鱼群摄食活跃度，具有一定的影响。优选采用为塑料泡沫或其它具有漂浮材质的任何材料，其形状、大小和密度，可根据情况设定。形状上，优选建议为圆球体、压扁的椭球体或圆板形，从上向下俯视，观测到的投影为圆形或近圆形，其与水面的接触面积决定其响应鱼群活动的强度。当鱼群密度比较大时，水面浮体D可以小一些，反之应该大一点，到水面的圆形或近圆形的投影面，可在5cm～50cm之间。当鱼群个体比较大时，其密度可以低点，反之可以高点。
图2、图3分别显示了D采用圆球和圆板两种情况，在正常没有鱼群摄食时，浮体处于图2和图3中的1)所示的状态，此时浮体感受的是平静的水面，浮体处于直立状态，当出现鱼群抢食时，水波浮动会形成图2和图3中的2)或3)的状态，其中状态2)表示浮体上下倾斜波动，状态3)表示浮体上下波动。三种状态下，产生的信号差异对应如图4的3种状态。
图4中，状态1)表示此时浮体直立且未发生水波波动，从而两组红外探测传感器(分别由B和C实现)均能够获取到发射的信号，而在图4的状态2)中，由于浮体的倾斜，导致横向和纵向的红外探测均无法被探测到，两组红外探测传感器均无法接收到信号，状态3)中，虽然未发生倾斜，但水波发生了上下波动，造成横向的红外探测(由C实现)无法接收到信号。通过信号的变化，就可以知道鱼群的饥饿程度，从而控制饲料投喂机的开启或关闭。
参见图5，在渔场进行了本发明实施例方法的实验应用。按照图1所示方法，在以草鱼为养殖对象的池塘内，布局该装备，饲料投喂机采用自动投喂，且饲料投喂机的电源控制，受单片机(即图1中的单片机接收控制H)控制，通过固定杆将装备置于饲料投喂区内；
实施例的实施全过程采用每秒采集一次横向和纵向红外信号的频度，优选采用30秒移动窗口，进行水波波动的计算，意即计算是否关闭饲料机时采用30秒移动平均；
在开启饲料投喂机前(阶段1)，鱼群未有出现挣食行为，仅极少部分跳出水面，每30秒内，横向和纵向信号均能够大量检测到，仅少量红外信号的遗失，此时遗失的信号率(即γ＝1-接收到的信号数/发出的信号数*100％)作为后续阶段投喂机控制的参考值；
当开启饲料投喂机后，鱼群出现明显的抢食行为，水面溅起大量水花，并造成水波强度明显增强，浮体出现高频度的倾斜和上下波动现象，造成横向和纵向信号大量丢失，每30秒能检测到的信号少于10次(阶段2)，此时信号遗失率远大于γ；
随着饲料投喂量的持续增加，鱼群的摄食行为意愿减弱，浮体横向和纵向波动的频次减弱，平均达每30秒15次以上，但仍然属于抢食窗口内(阶段3)，此时信号遗失率仍高于γ很多；
当饲料投喂持续到25分钟后，鱼群出现饱食现象，即不再出现挣食，水波平静，漂浮体重新回到投喂前的位置状态，每30秒的信号捕获超25次，此时信号遗失率接近γ，控制单片机发出停止饲料投喂信号，投喂机关闭(阶段4)。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法，其特征在于：利用水面浮体探测由于鱼群抢食带动的水波波动，通过计算水波波动强度，控制饲料投喂机；水波波动的探测，采用与水面浮体关联的探测装置实现。
2.根据权利要求1所述基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法，其特征在于：所述探测浮体运动的装置采用红外探测装置或其它可探测浮体运动频次或幅度的方法。
3.根据权利要求2所述基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法，其特征在于：所述红外探测装置包括红外对射管和回归反射型感应器，
红外对射管的发射端和接收端垂直于水平面设置；红外对射管的发射端在进行红外发射后，如果没有发生倾斜波动，会被相应的接收端接收到，但如果发生了倾斜位移，相应的接收端则接收不到；
回归反射型感应器由信号发射/接收端和信号反射镜组成，信号发射/接收端和信号反射镜平行于水平面设置；回归反射型感应器的信号发射/接收端进行红外发射后，如果没有发生上下波动，会被信号反射镜反射回来而接收到，如果发生了上下位移，将不会被反射回来，信号接收不到。
4.根据权利要求3所述基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法，其特征在于：设置信号发射固定杆连接水面浮体、红外对射管的接收端及回归反射型感应器的信号发射/接收端；其中，水面浮体连接到信号发射固定杆的底部，红外对射管的接收端设置在信号发射固定杆的顶部，回归反射型感应器的信号发射/接收端设置在信号发射固定杆的中间位置。
5.根据权利要求1或2或3或4所述基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法，其特征在于：设置单片机，接收红外对射管和回归反射型感应器的探测结果，并计算水波波动强度。
6.根据权利要求1或2或3或4所述基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法，其特征在于：水波波动的计算通过预设时间窗口的移动平均值或最大值实现。
7.根据权利要求1或2或3或4所述基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法，其特征在于：水面浮体采用塑料泡沫或其它具有漂浮材质的材料。
8.根据权利要求1或2或3或4所述基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法，其特征在于：水面浮体采用的形状为圆球、椭球或平板，在水面从上向下的垂直投影上为圆形。
9.一种基于摄食行为的鱼群饥饿探测系统，其特征在于：用于实现如权利要求1至8任一所述的基于摄食行为的鱼群饥饿探测方法。
10.根据权利要求9所述基于摄食行为的鱼群饥饿探测系统，其特征在于：包括供电电池、红外对射管、回归反射型感应器、水面浮体、信号发射固定杆、保护外罩、外罩固定支架和单片机，
供电电池为红外对射管、回归反射型感应器和单片机供电；
红外对射管的发射端和接收端垂直于水平面设置；红外对射管的发射端在进行红外发射后，如果没有发生倾斜波动，会被相应的接收端接收到，但如果发生了倾斜位移，相应的接收端则接收不到；
回归反射型感应器由信号发射/接收端和信号反射镜组成，信号发射/接收端和信号反射镜平行于水平面设置；回归反射型感应器的信号发射/接收端进行红外发射后，如果没有发生上下波动，会被信号反射镜反射回来而接收到，如果发生了上下位移，将不会被反射回来，信号接收不到；
信号发射固定杆连接水面浮体、红外对射管的接收端及回归反射型感应器的信号发射/接收端；其中，水面浮体连接到信号发射固定杆的底部，红外对射管的接收端设置在信号发射固定杆的顶部，回归反射型感应器的信号发射/接收端设置在信号发射固定杆的中间位置；
保护外罩垂直放置且底部一端和水平面齐平，外罩固定支架连接保护外罩，单片机接收红外对射管和回归反射型感应器的信号，并计算水面浮体的水波变化频次，根据频次的高低，判断鱼群摄食行为的活跃度，向饲料投喂机发送继续投料或关闭投料的指令。
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- 2022-07-15 US US17/865,429 patent/US20230016348A1/en active Pending
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