CN210954766U - 水下游动式智慧养殖生态环境监控系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种水下游动式智慧养殖生态环境监控系统，包括：鱼塘、进水泵、出水泵、氧气泵、软体仿生鱼、水池主控模块、WiFi通讯模块、进水管、出水管、进氧管道和监控平台，温度传感器、压力传感器和光敏传感器安装在软体仿生鱼上，并与设置在软体仿生鱼本体上的仿生鱼主控模块连接，仿生鱼主控模块通过WiFi通讯模块与水池主控模块无线连接；进水泵设置在鱼塘的进水管上，出水泵设置在鱼塘的出水管上，氧气泵设置在进氧管道上；水池主控模块通过上位机连接监控平台进行数据上传。本实用新型通过结构设置，可以监测水池各处的环境信息。使同一种仿生鱼适应不同的密度的水体中实现悬浮或者上浮下潜，以及前俯后仰。
Description
技术领域
本实用新型专利涉及水产养殖技术、水质检测传感器、嵌入式开发板、控制系统、互联智能统计分析等交叉领域，具体涉及一种用于分析影响不同种类鱼虾生长环境指标的水下游动式智慧养殖生态环境监测装置。
背景技术
养殖水体存在物理、化学、生物、气象等复杂过程，养殖水质的好坏直接决定着水产品的产量和质量。整体来看，西方经济发达国家水产养殖业已基本实现了水产养殖自动化、水产养殖品种良种化、水产养殖管理信息化。我国的水产养殖自动化普及情况不理想，养殖基础条件落后，全国大多数采用的都是简单的增氧机、投饵机等设备，水质监控、循环养殖等应用较少，自动化程度较低。
目前室内工厂化养殖采用少量的自动化设备，室外大水面养殖场也需提高自动化养殖程度。近年来，设施渔业能有效检测与控制养殖水中的各种环境参数,建立适于鱼类生长的最佳环境，水产养殖的智能化对于当代智慧农村建设非常重要。现代鱼塘养殖，鱼塘水质生态管控直接影响养鱼效益。衡量鱼塘水质好坏的指标主要有：鱼塘温度、酸碱度(PH值)、溶氧值、透明度、氨氮、亚硝酸盐等因素。鱼塘水质指标在线检测对于鱼塘水质调控至关重要。
实用新型内容
针对背景技术中我国水产养殖智能化的不足的现状，提出了一种水下游动式智慧养殖生态环境监控系统。
本专利公开了一种水下游动式智慧养殖生态环境监控系统，水池主控模块11获得鱼塘水面光敏强度、水面温度、含氧量、PH值以及软体仿生鱼6采集的光照强度、温度和压力数据，调节鱼塘内部的生态环境。
本专利实用新型的生态环境监控系统，分别包括：鱼塘、进水泵、出水泵、氧气泵、软体仿生鱼、温度传感器、压力传感器、光敏传感器、水池主控模块、WiFi通讯模块、进水管、出水管、进氧管道和监控平台，温度传感器、压力传感器和光敏传感器安装在软体仿生鱼上，并与设置在软体仿生鱼本体上的仿生鱼主控模块连接；PH传感器和溶氧传感器，PH传感器和溶氧传感器设置在鱼塘内并直接与水池主控模块连接。仿生鱼主控模块通过WiFi通讯模块与水池主控模块无线连接；进水泵设置在鱼塘的进水管上，出水泵设置在鱼塘的出水管上，氧气泵设置在进氧管道上；水池主控模块通过上位机连接监控平台进行数据上传。
进水泵、出水泵控制：在PH小于7.5、7.5-8.5、8.5-9、大于9、阴雨天气、夏季连续晴天的不同情况下，对饲料阀门进行开启或者关闭的调节；在鱼塘水质PH过低的情况下，开启进水泵，对鱼塘进行换水；参考公式如下：
Ca0＝1(kg)*600*L*N*J 
其中，CaO是所需生石灰的总质量，L鱼塘的长度，N是鱼塘的宽度，J为每亩鱼塘所需生石灰的用量，H是沸石粉和氨硝净的混合物的质量；
当水质透明度小于15，说明水中悬浮物过度，需要更换新水，启动进水泵和出水泵，增加鱼塘水质循环；
氧气泵控制：当气压过低引起水中含氧量减少；或因温度高、湿度大而引起水中饲料发酵耗氧增大而导致水中缺氧；或因暴雨引起水温剧变，上下层对流强烈而造成整个鱼池内溶氧量迅速下降。当溶氧浓度过低时，在0-1.2区间，鱼会出现浮头或严重浮头，应开启增氧机，参考公式如下：
其中，K0是比例系数，P0是平均气压，Tmin0是两小时内的最低气温，Pw0是两小时内的平均水汽压。
仿生鱼主控模块控制电机启动，使“X”交叉的连杆结构张开，实现软体仿生鱼的体积增大，软体仿生鱼上浮；“X”交叉的连杆结构闭合，实现软体仿生鱼的体积减小，软体软体仿生鱼下潜；所述“X”交叉的连杆结构张开夹角与软体仿生鱼的密度对应，并储存在上位机中，水池主控模块根据需求发出电机启动和停止命令，参考公示如下：
其中：θ表示“X”交叉的连杆结构张开夹角；l表示软体仿生鱼身长；ω表示软体仿生鱼尾鳍摆动频率；c1，c2分别表示软体仿生鱼一次、二次波幅包络系数。
仿生鱼主控模块控制电机启动，使铁块在软体仿生鱼的质心调整梁上滑动；所述铁块在质心调整梁上的位移位置与软体仿生鱼的俯仰角度对应，并储存在上位机中，水池主控模块根据需求发出电机启动和停止命令，
机器鱼仰角计算公式参考如下：
其中α表示仿生鱼下潜和上浮仰角角度，上浮为负，下潜为正；β表示电机旋转角度，顺时针为正；r表示鱼头半径尺寸；L0表示鱼头长度；L1表示鱼尾长度；L2表示尾鳍长度；mG表示减去配重后仿生鱼重量；mg表示配重重量。
仿生鱼主控板控制舵机启动，通过控制姿态调整电机使软体仿生鱼的鱼尾摆动；所述舵机左右摆动幅度的大小与软体仿生鱼的转向角度对应，软体仿生鱼尾鳍摆动中，在尾鳍后缘的尾迹区形成反卡门涡街，能够有效地利用尾迹区的流体动能，推动鱼体向前游动，所有驱动是由仿生鱼电源模块供电；通过左右摆动的频率的幅度不同，可以控制仿生鱼的转向角度运动轨迹，用运动特征参数St来描述鱼体尾迹运动轨迹，并储存在上位机中，水池主控模块根据需求发出舵机启动和停止命令，
St＝(f.Amax)/U
其中St表示鱼体尾迹运动轨迹，F表示尾鳍摆动频率，f＝ω/2π；Amax表示尾鳍后缘最大摆幅。
本实用新型的有益效果
本实用新型通过模块设置，可以监测水池各处的环境信息(包括温度、溶氧量、PH)。基于仿生鱼本体的结构设计，可以使同一种仿生鱼适应不同的密度的水体中实现悬浮或者上浮下潜，以及前俯后仰。
本实用新型通过监测方法的设置，可以调节鱼塘内部的生态环境。更进一步的，基于避障策略的设计，增加了仿生鱼环境感知能力，避免由于碰撞造成的损害。
本实用新型具有功能全面、自动化程度高、易于操作等特点，能有效减少用户工作量、提高养殖活动管理精度、降低养殖风险。
本实用新型通过对鱼塘未来环境的预测，可以进一步提高渔业养殖的效益；对于经验不足的养殖人员，此种方法也可以减少在养殖过程中的失误与损失。
附图说明
图1为本实用新型水下游动式智慧养殖生态环境监控系统结构连接图
图2为本实用新型水下游动式智慧养殖生态环境监控系统模块连接图
图3为本实用新型软体仿生鱼的结构示意图
图4为本实用新型仿生鱼主控模块与各传感器的连接示意图
图5为本实用新型水池主控模块与各传感器的连接示意图
图6为本实用新型控制系统供电电源示意图
图7为本实用新型水温闭环控制示意图
图8为本实用新型溶氧浓度闭环控制示意图
图9为本实用新型液位控制示意图
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的保护范围不限于此：
结合图1-图3，一种水下游动式智慧养殖生态环境监控系统，它包括：鱼塘1、进水泵2、出水泵3、氧气泵4、软体仿生鱼5、温度传感器6、压力传感器7、光敏传感器8、溶氧传感器9、PH传感器10、水池主控模块11、WiFi通讯模块12、进水管13、出水管14、进氧管道15和监控平台16，温度传感器6、压力传感器7和光敏传感器8安装在软体仿生鱼5上，并与设置在软体仿生鱼5本体上的仿生鱼主控模块5-11连接，仿生鱼主控模块5-11通过WiFi通讯模块12与水池主控模块11无线连接；进水泵2设置在鱼塘1的进水管13上，出水泵3设置在鱼塘1的出水管14上，氧气泵4设置在进氧管道15上；水池主控模块11通过上位机连接监控平台16进行数据上传。
优选的实施例中，它还包括：PH传感器10和溶氧传感器9，PH传感器10和溶氧传感器9设置在鱼塘1内并直接与水池主控模块11连接。
优选的实施例中，温度传感器6、压力传感器7和光敏传感器8均设置在软体仿生鱼5的外壳5-3上，压力传感器7和光敏传感器8暴露在外壳5-3外。
在图2中，仿生鱼状态控制模块包括舵机、体积调整电机5-4、姿态调整电机5-9，具体的：
作为左右方向控制的实现结构：软体仿生鱼5的鱼尾5-7由舵机控制摆动，实现左右方向控制；所述舵机受仿生鱼主控模块5-11控制。
作为调整仿生鱼密度的实现结构：软体仿生鱼5的内部设置连杆结构，左侧连杆5-1和右侧连杆5-2呈“X”交叉，连杆的端部分别设置于外壳5-3上的滑槽5-8中并卡在滑槽5-8中移动，基于左侧连杆5-1和右侧连杆5-2的开合程度调整软体仿生鱼5的体积，以使软体仿生鱼5在不同密度的水体中实现悬浮及上浮下潜；所述连杆结构通过体积调整电机5-4调整位移，所述体积调整电机5-4受仿生鱼主控模块5-11控制。
作为实现仿生鱼前俯后仰的实现结构：所述软体仿生鱼5内部还设置铁块5-5，铁块5-5在软体仿生鱼5的质心调整梁5-6上滑动以调整软体仿生鱼5的质心实现前俯后仰；所述铁块5-5通过姿态调整电机5-9调整位移，所述姿态调整电机5-9受仿生鱼主控模块5-11控制。
结合图4，仿生鱼主控模块与各传感器的连接示意图：温度的测量选用DS18B20数字温度传感器，该传感器具有体积小、成本低、可靠性高、精度高等特点。光照强度的测量选用bh1750数字型光强度传感器，该传感器性价比高，分辨率高，可以探测较大范围的光强度变化，满足实际养殖中对光强监测的条件。
结合图5，水池主控模块与各传感器的连接示意图：水位的测量选用超声波模块HC-SR04,此模块具有性能稳定，测量距离准确，模块高精精度，盲区小的优点。酸碱度的测量选用E-201-C复合电极，该电极是玻璃电极和参比电极组合在一起的塑壳可充式复合电极，是pH值测量元件，用于测量水溶液的PH值(氢离子活度)，该电极有塑料栅保护，碰撞不破，测量时可作搅拌棒使用。该传感器的测量范围是0-14PH，测量精度是0.01PH.溶氧传感器选用O-957F溶解氧电极传感器，测量范围0-20mg/L。
使用30万usb小型摄像头和60帧高速摄像拍照模块模组OV7725(焦距2.1mm水平视角90度)用于检测鱼塘外界环境和水质颜色变化。
本申请中，水温、溶氧浓度、液位控制可以人为的手动控制，更优的实现方式中，采用以下智能控制方法：
结合图7，本实用新型水温闭环控制示意图。加热模块选用功率为300w的加热棒。该模块将传感器获得的温度与设定值进行偏差计算，调节加热棒工作的开启、停止状态。整个环节为自动控制调节。
结合图8，溶氧浓度闭环控制示意图。当气压过低引起水中含氧量减少；或因温度高、湿度大而引起水中饲料发酵耗氧增大而导致水中缺氧；或因暴雨引起水温剧变，上下层对流强烈而造成整个鱼池内溶氧量迅速下降。系统自动作出鱼泛塘警报，同时系统通过对增氧泵的控制使鱼池内溶氧量维持一个正常水平。
结合图9，本实用新型液位控制示意图。水位控制装置选用卡默尔蠕动水泵，该水泵工作在24V的直流电压下。将传感器获得水位和设定值比较，调节水泵的进水和抽水。整个装置为自动控制调节。
本专利系统还具有报警短信发送功能，可以及时通知用户进行处理，避免异常情况影响正常养殖活动。
本专利还公开了一种水下游动式智慧养殖生态环境监控方法，水池主控模块11获得鱼塘水面光敏强度、水面温度、含氧量、PH值以及软体仿生鱼6采集的光照强度、温度和压力数据，调节鱼塘内部的生态环境；包括：
进水泵3、出水泵4控制：在PH小于7.5、7.5-8.5、8.5-9、大于9、阴雨天气、夏季连续晴天的不同情况下，对饲料阀门进行开启或者关闭的调节；在鱼塘水质PH过低的情况下，开启进水泵，对鱼塘进行换水；参考公式如下：
Ca0＝1(kg)*600*L*N*J 
其中，CaO是所需生石灰的总质量，L鱼塘的长度，N是鱼塘的宽度，J为每亩鱼塘所需生石灰的用量，H是沸石粉和氨硝净的混合物的质量；
当水质透明度小于15，说明水中悬浮物过度，需要更换新水，启动进水泵和出水泵，增加鱼塘水质循环；
氧气泵5控制：当气压过低引起水中含氧量减少；或因温度高、湿度大而引起水中饲料发酵耗氧增大而导致水中缺氧；或因暴雨引起水温剧变，上下层对流强烈而造成整个鱼池内溶氧量迅速下降。当溶氧浓度过低时，在0-1.2区间，鱼会出现浮头或严重浮头，应开启增氧机，参考公式如下：
其中，K0是比例系数，P0是平均气压，Tmin0是两小时内的最低气温，Pw0是两小时内的平均水汽压。
仿生鱼主控模块5-11控制电机启动，使“X”交叉的连杆结构张开，实现软体仿生鱼5的体积增大，软体仿生鱼5上浮；“X”交叉的连杆结构闭合，实现软体仿生鱼5的体积减小，软体软体仿生鱼5下潜；所述“X”交叉的连杆结构张开夹角与软体仿生鱼5的密度对应，并储存在上位机中，水池主控模块11根据需求发出电机启动和停止命令，参考公示如下：
其中：θ表示“X”交叉的连杆结构张开夹角；l表示软体仿生鱼身长；ω表示软体仿生鱼尾鳍摆动频率；c1，c2分别表示软体仿生鱼一次、二次波幅包络系数。
仿生鱼主控模块5-11控制电机启动，使铁块5-5在软体仿生鱼5的质心调整梁5-6上滑动；所述铁块5-5在质心调整梁5-6上的位移位置与软体仿生鱼5的俯仰角度对应，并储存在上位机中，水池主控模块11根据需求发出电机启动和停止命令，
机器鱼仰角计算公式参考如下：
其中α表示仿生鱼下潜和上浮仰角角度，上浮为负，下潜为正；β表示电机旋转角度，顺时针为正；r表示鱼头半径尺寸；L0表示鱼头长度；L1表示鱼尾长度；L2表示尾鳍长度；mG表示减去配重后仿生鱼重量；mg表示配重重量。
仿生鱼主控板5-11控制舵机启动，通过控制姿态调整电机5-9使软体仿生鱼5的鱼尾5-7摆动；所述舵机左右摆动幅度的大小与软体仿生鱼5的转向角度对应，软体仿生鱼尾鳍摆动中，在尾鳍后缘的尾迹区形成反卡门涡街，能够有效地利用尾迹区的流体动能，推动鱼体向前游动，所有驱动是由仿生鱼电源模块供电5-10；通过左右摆动的频率的幅度不同，可以控制仿生鱼的转向角度运动轨迹，用运动特征参数St来描述鱼体尾迹运动轨迹，并储存在上位机中，水池主控模块11根据需求发出舵机启动和停止命令，
St＝(f.Amax)/U
其中St表示鱼体尾迹运动轨迹，F表示尾鳍摆动频率，f＝ω/2π；Amax表示尾鳍后缘最大摆幅；
本专利的监控方法的实现包括两块开发板，其中仿生鱼通过ESP8266的wifi通讯模块进行无线传输到鱼塘管控开发板进行数据的集成处理，而鱼塘管控开发板则通过485转USB直接连接到本地电脑组态软件上进行数据上传。
本地数据打印在开发板所连接的液晶显示屏上，方便于实时数据的监测。在程序中添加相关代码，即可实现将所测得的变量：温度、湿度、光强、PH值、水位等信息直接显示在LCD上。
开发板读到的数据可由开发板通过RS485接口转USB接口发送至本地电脑，首先通过Modbus协议传送至组态软件MCGS。MCGS成功接收数据后，在本地将数据传输给DC软件。DC软件通过TCP/IP协议，将接收到的数据传递至云平台的相应端口。在云平台上，利用DBServer软件接受由DC发送的数据，并将之存入SQL数据库之中。
开发板与组态软件MCGS之间的通信遵从Modbus协议。Modbus协议是一种基于串行、主从通信模式的标准协议，基于Modbus协议的设备一般会分为主站与从站，每一个主站和从站设备都有其固定的地址。
首先向开发板中移植基本的Modbus协议。将测得的数据量放于对应的数组之中，使程序按照Modbus RTU标准通信协议的格式与数据字节个数，计算CRC校验码，组合成新的、符合协议标准通信协议格式的数组。遵循协议要求的时间间隔，将数据从开发板的RS485串口传出，再利用485接口与USB接口的转换线，即可使电脑的相应串口接受到开发板测量的、MCGS可以接收的数据。
在组态软件中新建工作环境、设置设备窗口与用户窗口。在用户窗口中，设置输入框，接收单片机测得的数据；在设备窗口，添加工程需要的通用串口父设备0和标准ModbusRTU设备。在通用串口父设备中，配置对应的串口端口号、通讯波特率以及从机地址。
组态软件接收到数据之后，可以进行DC本地数据发送软件的配置，使DC软件接收来自组态软件的数据并和所上传数据的服务器即相应端口建立连接。以管理员身份打开DC软件，添加测点，以OPC方式驱动。设置每位数据占两个寄存器地址。正确配置后，DC接收到数据，并将数据上传至云平台。
需要说明的是：本实用新型公开了一种水下游动式智慧养殖生态环境监控系统和监控方法，本实用新型仅对水下游动式智慧养殖生态环境监控系统的硬件结构部分进行保护，所要求保护的监控系统硬件在本领域公知的现有技术下可以独立运行，实现监控目的。本实用新型中涉及的监控方法是以本实用新型硬件结构为支撑，在惯用技术手段的基础上提出的更优的监控方法，在同日申请的发明专利中进行保护。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神做举例说明。本实用新型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，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.一种水下游动式智慧养殖生态环境监控系统，其特征在于它包括：鱼塘(1)、进水泵(2)、出水泵(3)、氧气泵(4)、软体仿生鱼(5)、温度传感器(6)、压力传感器(7)、光敏传感器(8)、水池主控模块(11)、WiFi通讯模块(12)、进水管(13)、出水管(14)、进氧管道(15)和监控平台(16)，温度传感器(6)、压力传感器(7)和光敏传感器(8)安装在软体仿生鱼(5)上，并与设置在软体仿生鱼(5)本体上的仿生鱼主控模块(5-11)连接，仿生鱼主控模块(5-11)通过WiFi通讯模块(12)与水池主控模块(11)无线连接；进水泵(2)设置在鱼塘(1)的进水管(13)上，出水泵(3)设置在鱼塘(1)的出水管(14)上，氧气泵(4)设置在进氧管道(15)上；水池主控模块(11)通过上位机连接监控平台(16)进行数据上传。
2.根据权利要求1所述的一种水下游动式智慧养殖生态环境监控系统，其特征在于它还包括：PH传感器(10)和溶氧传感器(9)，PH传感器(10)和溶氧传感器(9)设置在鱼塘(1)内并直接与水池主控模块(11)连接。
3.根据权利要求1所述的一种水下游动式智慧养殖生态环境监控系统，其特征在于温度传感器(6)、压力传感器(7)和光敏传感器(8)均设置在软体仿生鱼(5)的外壳(5-3)上，压力传感器(7)和光敏传感器(8)暴露在外壳(5-3)外。
4.根据权利要求1所述的一种水下游动式智慧养殖生态环境监控系统，其特征在于软体仿生鱼(5)的鱼尾(5-7)由舵机控制摆动；所述舵机受仿生鱼主控模块(5-11)控制。
5.根据权利要求1所述的一种水下游动式智慧养殖生态环境监控系统，其特征在于所述软体仿生鱼(5)的内部设置连杆结构，左侧连杆(5-1)和右侧连杆(5-2)呈“X”交叉，连杆的端部分别设置于外壳(5-3)上的滑槽(5-8)中并卡在滑槽(5-8)中移动，基于左侧连杆(5-1)和右侧连杆(5-2)的开合程度调整软体仿生鱼(5)的体积；所述连杆结构通过体积调整电机(5-4)调整位移，所述体积调整电机(5-4)受仿生鱼主控模块(5-11)控制。
6.根据权利要求1所述的一种水下游动式智慧养殖生态环境监控系统，其特征在于所述软体仿生鱼(5)内部还设置铁块(5-5)，铁块(5-5)在软体仿生鱼(5)的质心调整梁(5-6)上滑动；所述铁块(5-5)通过姿态调整电机(5-9)调整位移，所述姿态调整电机受仿生鱼主控模块(5-11)控制。
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| US11700839B2 (en) * | 2021-09-01 | 2023-07-18 | X. Development | Calibration target for ultrasonic removal of ectoparasites from fish |
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