基于物联网的智能鱼塘投喂机

基于物联网的智能鱼塘投喂机

刘锦烨李依柯 串颖许诺 张瀚泽 杨鑫雨

河北农业大学机电工程学院 河北保定  071001

摘要：为持续增长产量，推动渔业现代化，智能鱼塘设备尤为重要，尤其是投饲方面。饵料成本对经济效益影响巨大，投饲过多增加成本、污染水质，过少则影响生物生长。目前人工投饲存在均匀性和精度问题，自动投饲机器逐渐代替。然而现有机器稳定性差、投料量不准确。本文提出通过分次投饲和改变投饲方向实现均匀投喂，并使用压力传感器和远程控制提高精确度。设计了远程控制自动投饲的原型设备，包括上位机和下位机，通过有人云和微信小程序实现远程控制。这一设计操作简单，易上手，能降低劳动强度，节约成本，提高效率和产量。

关键词：STM32；鱼塘养殖；称重传感器；水质检测与实时反馈

1.现状

1.1研究背景

立足改革开放以来，中国水产养殖业持续快速发展，2020年水产养殖总产量超过5200万吨，占全国水产品总产量的79%以上，位居全球水产养殖大国之首[1]。我国水产养殖行业发展前景广阔，已经进入新的发展阶段。农业农村部积极推动渔业现代化发展，提出《“十四五”全国渔业发展规划》，力争到2035年实现渔业现代化的目标。实现这一目标需要推进水产养殖现代化。然而，目前水产养殖中投饲方式的低自动化程度是实现现代化的一大阻碍。传统的人工投饲方式存在投喂均匀性差[2]、投饲量控制不准确、效率低下、污染水质[3]等问题。饵料自动投饲机能够定量自动投喂、保证投料均匀，防止饲料浪费，降低水质污染。当前市场上的投饲机多只能定时投放，而自动化投饲装置的研发将对推动渔业现代化发展起到重要推动作用。

1.3国内外研究现状

1.3.1国内投饲机发展现状

我国投饲机的研发始于上世纪80年代[6]，经过多年的研究与发展，取得了一定的成果。现如今，我国投饲机的年产量已经可达16万台，成为水产养殖设备中的重要产品之一。根据应用环境、投料方式和动力源的不同，我国投饲机可以分为不同类型，以适应各种养殖环境和养殖对象。

投饲机在科技的不断发展下，已经解决了漏电和堵料等问题。然而，仍然存在投料量不准确和控制模式单一的改进空间[7]。我们致力于提供更精确的投料量和多样化的控制模式，满足养殖业不断增长的需求。通过持续创新和技术升级，我们将为养殖业提供更高效、可靠的投饲解决方案。

1.3.2国外投饲机发展现状

在美国、德国、挪威、加拿大等一些国家，自动投饲装备大多可以用于室内的工厂化养殖，自饵料的运输、存贮到投放都有着很精确的数量控制[8]。挪威早在1986年就开始将自动投饲系统应用在实践中了[9]。加拿大的Feeding Systems公司成功研制出了适合鱼苗孵化场的自动投喂系统[10]。

国外的自动投饲已经不再是传统的单体自动投饲机，而是形成了一个完善的系统，但其成本较高，适用范围较小。

1.4研究内容

本文设计并实现了一款可以远程控制自动投饲的原型设备。这款原型设备通过手机微信小程序实现远程控制自动投饲，具有模块化的硬件设计。设备的硬件部分主要包括STM32控制器、42步进电机、伺服电机、开关电源等模块组，这些模块通过STM32控制器协调工作。数据通信方面，手机微信小程序通过有人云平台与下位机硬件设备建立双向通信，实现远程控制。值得一提的是，本设计选择了有人云作为云平台，并使用USR-G780设备将服务器上的数据转发到STM32控制器上。通过这款设备，用户可以实现方便的远程控制和投饲操作。

1.5 未来发展与展望

本文设计了基于物联网的智能鱼塘投喂机，该设备在分析了国内外发展情况的基础上，根据国内背景，从用户的需求出发进行设计。设计了自动投喂装置基本实现了规划中的功能。但是由于本设备开发周期较短，仍处于原型阶段，距离投入养殖使用仍然有很长的路要走，需要再今后结合时间继续开发，不断完善。

现阶段投喂量仍需要手动在手机端下发给机器，如果可以开发一套环境监测系统，通过对环境的监测自动得出投喂量并下发到机器才能真正实现自动投喂。由于开发时间较短，微信小程序的功能还比较简单，可在后续开发中继续增加新的功能。

2.基于物联网技术的智能鱼塘投喂机

基于物联网的智能鱼塘投喂机主要由上位机、云平台、下位机三大部分组成。上位机用于向下位机发送投喂量数据。云平台采用“有人云”，作为数据中转站接收上位机发送的投喂量数据，并将数据通过广域网发送到4G DTU设备，由4G DTU设备通过串口通信将数据发送到下位机的控制器。

2.1下位机硬件组成

下位机硬件主要由继电器、4G DTU模块、控制器、压力传感器、模拟量变送器、步进电机、伺服电机、鼓风机、电源模块组成，如图1-1所示。投喂机使用的主控芯片是STM32F103ZET6芯片，使用STM32开发板。称重模块由压力传感器和模拟量变送器组成，子程序使用STM32F103ZET6的ADC1的通道1（GPIOA1）在单次转换模式下采集称重模块输出的模拟量。通过称重模块输出值与物体重量的函数关系：

（y为物体重量，x为称重模块输出电压值）得到物体质量。控制模块由步进电机、步进电机驱动、两个伺服电机、继电器组成。通信模块由4G DTU、485转串口组成。电源由降压模块和开关电源组成。温度检测模块主要采用芯片DS18B20，工作电压为3V-5.5V，工作电流为1mA-.5mA，测量范围为-10℃~85℃(误差为土0.5℃)。水体浊度检测模块利用高亮LED作为光源，光敏电阻监测光强度变化，通过分压电路测量光敏电阻两端的电压来确定光强度，从而得出水体浊度值。PH值检测模块利用复合电极法采集水体pH值，通过检测内外参比电极的电位差的变化来得出水体pH值的变化。系统采用此测量原理，通过硬件电路实现。

2.2下位机软件设计

下位机软件设计部分采用STM32F103ZET6作为控制器，主要用到定时器技术、AD转换技术、串口通信技术，实现饵料自动投喂。程序设计使用Keil5开发工具完成。主程序首先配置系统时钟，再确认中断优先级分组，然后依次对外设进行初始化。外设初始化包括串口、ADC、定时器2、定时器3、定时器4。之后在while循环中等待接收上位机下发的投喂量，收到后开始调用子程序进行工作。接下来将讲解设备重要的控制子程序。串口用于接收来自4G DTU G780的投喂量，发送开关指令到继电器。来自服务器的数据会带有开头和校验位，在接收到后将其去除得到十六进制的投喂量，然后进行进制转换得到十进制的投喂量。继电器的开关指令都是一段十六进制数字，将其通过串口发送到继电器。

2.3上位机软件组成

上位机软件借用有人云平台进行设计。步进电机通过控制输入脉冲数来决定转动角度，一个脉冲转动一个步进角1.8°。细分控制可以提高分辨率，使电机旋转变得平滑[11]。在使用驱动器进行32细分并使用减速箱100倍减速后，3200个脉冲转动一个步进角。程序通过定时器4进行中断来产生脉冲，在对步进电机进行使能并确定转动方向后，通过控制定时器4的中断是否开启来获取步进电机转动角度的脉冲数。

参考文献

[1]朱路生,王家博.我国虾蟹养殖投饲机发展现状分析[J].现代农机,2021(05):14-15.

[2]李君略,俞龙,王卫星,刘华.基于单片机的鱼用投饵机自动控制系统[J].农机化研究,2006(02):166-168.

[3]林健康.TEJ500水产养殖自动投饵机[J].农机化研究,2003(01):165-168.

[4]周翠婷.南美白对虾淡水养殖技术[J].农家参谋,2022(04):159-161.

[5]彭刚,张军,王天乐,宋扣明,唐建清,郝忱.沿海滩涂大型池塘养殖成本收益分析[J].农村经济与科技,2014,25(06):94-96+85.

[6]于泽,姜忠爱,张靖铎,肖冰峰,曹其政,顾宗文.水产养殖自动投饵机发展现状[J].河北渔业,2020(01):57-60.

[7]吴强泽. 池塘养殖智能投饲系统的研究[D].南京农业大学,2016.

[8]庄保陆,郭根喜.水产养殖自动投饵装备研究进展与应用[J].南方水产,2008(04):67-72.

[9]汪昌固. 网箱智能投喂系统开发及关键技术研究[D].太原科技大学,2014.

[10]V.QIESTAD,T.PEDERSEN,A.FOLKVORD,etal.Automatic feeding and harvesting of juvenile Atlantic cod(Gadus movhua L.)in a pond[J].modeling identification and control,1987,VOL.8,No.I,39-46.

[11]Stijn D,Bram V,Jasper D V,etal.Sensorless load angle control for two-phase hybrid stepper motors[J].Mechatronics,2017,43:6-17.

基金项目：2023年省级大学生创新创业训练计划项目（编号：s202310086035）