CN1765178A - 养殖用多功能增氧自控及报警装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用声、光、电波或其它波振传感器在水体中构成一定工作层面，利用游入其中的养殖种类使传感器发生感应，经具有选频、多普勒效应检测、多级时钟、计数、比较电路组成的微处理器或带有加热元件的温度继电器判定为浮头或寻食时自动报警并开动增氧机或投饵机的被动方法，及一种利用测量光照强度和浮头时间、经具有存储、运算、比较、预置、计时功能的微处理器处理主动开启增氧机的方法。两种方法可联机使用并拓展多种养殖机械的状态报警及次序自控功能，并可实现看护人员一人看护多机或多处养殖水面，或离场看护。还有一种利用小功率增氧设施诱使浮头的养殖种类向传感器靠近以增加增氧自控装置可靠性的方法。

Description

养殖用多功能增氧自控及报警装置

技术领域

本发明涉及一种用声、光、电波及其它波振类传感器根据需要在养殖水体中构成一定工作层面，利用游入其中的养殖种类传感器发生感应，经具有选频、多普勒效应检测、多级计数、比较、预置及必要辅助功能的电路构成的微处理器成带有加热元件的温度继电器判定为养殖种类浮头或寻食，并自动报警及开关增氧机或投饵机的被动方法，及一种利用对当日光照强度测量累加后除以上日根据养殖种类初次浮头时间推算的该养殖水体单位时间内的近似耗氧比数，从而大致推断该水体内的养殖种类日内初次浮头时间及到时自动报警并开动增氧机的主动方法，还有一种利用小功率增氧设施诱使浮头鱼虾等向传感器集中、增加被动类自控装置可靠性的方法，三种方法可综合结合使用，并可扩展分状态、远程报警及根据情况依次操控多种渔业机械的功能。

技术背景

现市售的增氧自控及报警装置多以水中溶氧为监测对象，而现在水产养殖多采用高密度集约化混养，养殖品种的体质因饲养水平差异而变化不定，若患有烂鳃等疾病时耐低氧能力则更是下降很大。这样，此类装置动作值设定偏高时鱼虾等已浮头而装置不动作，动作值设置偏低时鱼虾等未浮头而增氧装置已开，浪费机能。且常用的增氧机型的提前运行会导致养殖水体上下层的提前对流，使池底耗氧更加严重，夜内一旦停机溶氧值将迅速下降。这样，选择在鱼虾等刚浮头时开启增氧机才能即有效地降低能耗又可防止泛池危害的发生。另有以气压为监测对象的增氧自控装置则误动性更大。用微电脑时控的方法则需设置人员根据经验猜测性推断鱼虾等的浮头时间，同样有开早开晚的问题。以上装置都无法应付意外性浮头，且都不能监测由水体中毒引发的浮头。有以红外探头监测水中鱼篓中饲喂的信号鱼的装置，此装置对缺氧和中毒引发的浮头都可能做出反应，但因其“生物传感器”位置固定和仅能以信号鱼为监测对象，意外情况的发生概率性仍然很大。如信号鱼与水体内大部分鱼类体质可能存在较大差异，且同体质的饱食鱼与饥鱼的耐低氧能力也会相差很多，这就造成了使用人的饲喂难题。再就是水中各处的有毒物质分布并不均匀，(如池底硫化氢及藻类密集处产生的毒素)这就使该装置对此类浮头的监测更加不力。

本发明旨在提高增氧自控装置的可靠性及准确性，做到终极(鱼虾浮头)和广角(水体和养殖种类的大部)监测，降低水产养殖的泛池危险性和看护人员的工作强度，同时还可帮助养殖户积累当地光照量等数据，便于总结生产经验，合理安排投喂量，并致力于功能的扩展，实现养殖的自动化及无人化。

发明内容

用具有一工作频率(频率设定以所用波种在水中波长小或等于大多数饲养种类的体厚，如鱼背至鱼腹的厚度为宜)的电压驱动装在一定基座中的微波、超声波、红外及其它波振类传感器，使它们发出具有一定工作层面的工作波，利用游入其中的养殖种类对工作波产生的阻断、反射及多普勒效应，使传感器产生感应(或使波振探头停振)，其信号经放大、选频、多普勒检测、整形后触发其后的单稳态触发器，使其打开计数闸门，计数器开始计数。另设有多级时钟、预置和比较电路，在时钟电路和单位时间内计数器达不到设定数值，时钟电路的清零脉冲通过清零闸门将计数器清零，当达到设定数值时，该级数值比较器关闭此清零闸门，阻断该级时钟电路对计数器的清零，使计数器进入第二时钟工作状态，如是往复。当计数器达到设定数值时，输出相关报警及控制信号，当达到设定最大值时，输出此计数器终端报警及控制信号并将计数器全部清零，开始下一个工作循环。这样多级时钟及比较器的设置就使微处理器具有了模糊处理功能及相关数值可调性，便于使用人员根据养殖种类的实际浮头及寻食状态对传感器产生的反应时间设定相关预置数，为了便于观察，各传感器后可接工作指示灯，各传感器后的单稳态触发器单稳时间可根据需要设定，但不得小于单个计数脉冲时间。时钟与计数器由基准时钟协调工作。

另外，被动机型输出的最终浮头判定信号可输入测量光照强度并计时运算的微处理器，作为计时器及相关运算的触发脉冲，使其第二日能主动算出当天夜里本养殖水体内鱼虾类大致的起始浮头时间，并到时主动报警及开动增氧机。

此微处理器为照度自动测量及计时自动运算电器，由光电池、模/数转换器、光控延时电路、时钟电路、存储器、累加器、除法器、计时器、测量及运算管理电路组成，白天日出时光控延时电路将累加器清零，(光控延时电路动作值为日出或日落时的光照强度，延时是为了避免此时期内天气变化导致对累加器的多次清零)，测量、运算管理电路开始指挥光电池、模/数转换器、累加器进行间隔定时测量、数据锁存、模/数转换器清零，测量结果累加的工作程序，晚上日落时光控延时电路会同运算管理电路停止照度测量、累加的工作，累加结果锁存。浮头计时器开始计时，累加结果除以耗氧存储器中的锁存数据并将结果锁存，与之相连的增氧计时器开始计时，到与锁存结果相同时，输出报警及增氧机开机信号。

需要特别指出的是，增氧计时器正常工作要等到输入脉冲信号后的第二天。浮头信号到来后，浮头计时器停止计时，运算器将当天的照度累加值除以该时值并将该结果打入耗氧存储器。此结果即为此水体单位时间内综合耗氧量的一个大致比数。(因水体中溶氧有90％以上来自水中生物的光合作用，故日光照量和水体溶氧产量有间接换算关系)。为防止初次使用时耗氧存储值为零带来的运算法则错误，可使当日照度累加值除以的是耗氧存储值加一个极小的数值后的和值，这样即防止了运算法则错误，又适应了水产养殖种类成长带来的耗氧量日渐次增加问题。此加数值可由锁存器人为设置，一举两得。同样道理，为避免一日内浮头脉冲的多次输入，(如增氧机自动关闭后，鱼虾类再次浮头引发被动处理器动作)导致运算失误，运算管理电路在第一次浮头脉冲到来后即关闭该脉冲输入闸门，至次日再会同光控电路打开此闸门。虽然是这样，若遇连阴天或大雾天气时，该主动机型也可能无法正常工作，其时的报警工作将完全依靠被动机型。

以上两机可联机工作，也可根据市场需要分机出售，由用户手控操作部分环节，如浮头脉冲的输入。为提高装置的工作可靠性及减少误动、可加装一小型增氧装置，在增氧装置的工作水面部设传感器，由机控、时控或手动打开小增氧机，诱使浮头鱼虾向富氧、即传感器工作区集中，从而最终打开用以全池增氧的大功率增氧机。这样照度测量运算计时器及监测暗浮头的多普勒检测器初级置数控制的，就以小增氧机为宜。

具体实施方式

(以水产主要养殖品种鱼类为例)被动式机型的关键是传感器能否准确捕捉鱼类运动位置及状态，以及微处理器对鱼类浮头、寻食和自然运动的准确判断。鱼浮头分两个阶段，即水下浮头和水面浮头。水下浮头是起始阶段，此时鱼类因缺氧而由较深层水上浮至浅水层水。并在水面下惊慌游动、乱窜、寻找富氧水区，此时俗称暗浮头。缺氧再严重时，鱼将游至水面并将头翘出水面，用嘴吞咽空气以获氧，这是浮头的后阶段，即明浮头。此种浮头若时间过长，则即使开动增氧机鱼也将无力向增氧机靠近而造成死伤。根据上述特点，监测鱼虾类浮头的传感器工作波面应设置在上层水中。监测鱼类的以水面至水下30厘米左右为宜。(养殖用水一般深度在50至250厘米之间)。上层传感器以选频工作方式为主，并最终控制为全池增氧的主机，下层传感器以多普勒检测方式为主，由多级比较依次控制小、大功率增氧机。各传感器发射、接收指向性以扇面薄饼形为佳，可用基座配合实现。为了便于用户监测传感器的工作情况。宜在其后串接一工作指示发光二极管，用户可通过观察各传感器指示灯在浮头时期的明灭时间准确没置时钟的时值和比较器的数值，减少误动。为减少功耗和降低成本。同一层面的传感器可分别朝向，输出采用门电路组合，其后再接同一路模糊处理电路，这样只要有一个传感器产生感应，计数器即可开始工作，还增加了装置的可靠性。传感器或其门电路输出所接的单稳电路，可使计数器对鱼类快速游过时传感器感应时间小于计数脉冲时也能同样作出反应捕捉计数。

监测鱼寻食运动的传感器应设在食场水区中，以多普勒检测工作性为主，并配合饲喂定时电路，组成门电路比较共同做出反应，做到定时、定量饲喂。

各种传感器探头都应布在水面以下，其浮体抗风浪性要好，以减少风浪反射对传感器产生过大影响、导致误动。(光电池和光控电路的光敏电阻则应放置在采光良好处，以能接受一天日光照射为准)

数值比较器输出的各种报警信号及控制信号后宜接一定单稳时间的触发器或计时电路，可重复触发，其单稳态在末次触发后再过单稳时间结束。这样就做到了增氧机在浮头发生时的持续性及随机性。

各传感器的选择应考量其波种特性及性价比，可组含使用以尽量使产品取得价格优势。超声波传感器应采用密封防水型，市售产品的中心频率多在40KHZ左右，此时其水下声波长为3厘米左右，为缩短其波长可向厂家定制100KHZ以上产品，并要求其指向性近可能成尖锐的扇形薄饼状。因为超声波穿透力强，其基座选用隔音、吸音材料，如蜂窝状橡皮等。超声波传感器宜采用反射式，接收传感器后宜并接选频和多普勒检测电路，其后的计数比较电路数值分别设置，宜以多普勒检测控制小型增氧机，选频电路控制大功率增氧机为好。

红外传感器具有造价低、调频性能好、基座只需隔光材料即可，指向性易控等优点，且市场上有大批集成探头可供选用，缺点是传输距离受养殖水体透明度影响较大，需常清洗及根据池水肥度调节作用距离。此种探头对射反射皆可，易布控在小型增氧机工作面内最上工作层(水面至水下2-3厘米处)，监控水面浮头。特别适于监测虾类浮头。

微波传感器在水下使用只要解决潜布电容及屏蔽问题即可得到良好应用，其优点是既具有超声的传输距离优势和良好多普勒选择性又具有光探头的方向易控性，同时又具有基座易制、射波层面清楚的特点。其基座易选用良好导体(如铝)制造。天线宜选用带绝缘皮的导线或干脆封闭在金属密闭腔内，其射波发射或接收口的金属导板与用作屏敞层的外壳基座绝缘，外壳屏敝可靠接地。

各基座设计以使工作波面满足要求为准，即以传感器为扇形中心点使壳体前探。利用壳体对波的阻断或屏蔽、吸收限定传感器发射或接收的方向。(上下开口限定发射或接收的垂直指向，左右开口限定其水平指向角)基座可安装在专用浮筒上，也可借助增氧机的浮筒或干脆固定在水面下的池岸上，以抗风浪性能高，监测水面广为宜。

为防止因传输距离过长使池岸等障碍物将工作波反射至接收传感器，或因超声波穿透力过强妨碍发射与接收探头的近距安装，发射或接受电路应设可变电位器调节其灵敏度。信号的传输因种类需要选用适宜的导线(如微波需专用导线)。各电路应做好屏蔽、避免相应干扰。电路电源选用优质蓄电池，最好采用市电与其连接成过压自动保护充电线路，保证市电停电时也能可靠报警。传感器引发的单稳电路后的数字模糊处理电路也可用带加热元件的双金属片动作距离有较大可调性的温度继电器替用，缺点是调节准确性差，误动性高。

为防止小型增氧机的运转导致上下水层对流引发总体型缺氧。可设计为小型喷雾式增氧机，由电机、高压水泵、喷头组成。喷头的分布与传感器的分布配合，达到最佳效果。还可专设管道及可控喷口至传感探头。冲洗附着的藻类等脏物，完成自动清洗，水泵的进水口应开在浅水层中，可呈圆圈状分布，使开机时整机保持水平状态，避免影响附在其上的探头工作。

另外，可在增氧机的执行机构，如叶轮式增氧机的轮盘周边和水车式增氧机的桨叶上安装磁铁，在浮体上靠近磁铁运行轨迹处安装一感应线圈，利用磁铁转动时该线圈产生的感应电流放大、整形后与控制该增氧机的单稳或时钟电路组成异或门电路，则在增氧机应工作状态时意外停转或轮盘脱落时，该门电路都会触发其后的报警电路。当然，同样可将增氧机的工作相线经降压整形组成门电路比较形式，进行停电及缺相报警，以此类推，可利用各机型的报警及工作指示电流，合并增氧机状态检测电流、有自动启动功能的燃油机组产生的信号电流以及自动投饵机的时控电路组成多级逻辑门电路，利用逻辑门的输出触发相应的执行电路和报警电路，并接入相应的指示灯和音频信号，就会实现相应状态报警及各种机械的有序控制。在接入相应的语音芯片后就会实现语音报警。将报警输出与对讲机或带有预置号功能的电话相连，即可实现远程报警。在加接紧急供氧设施，如在市电停电后根据控制信号启动备用燃油机组，或机械增氧失败后打开电磁阀使事先备好的增氧剂喷洒或流入备好的水下沉桶等类似方法，拖延时间等待看护人采取相应措施，这样可实现饲养人的离场看护。若将各传感器与处理器的输出、输入信号实现脉冲或频率编码无线连接，则能达到一人看护多池或多处增氧机组，但采用此种方式时各机由其是相邻养殖户之间应协凋编码，避免相互干扰造成误动。微处理器可用市售集成电路组装，亦可大规模集成降低成本。各种信号输入与输出设相应的插驳口，便于用户根据需要选接***装置。远程报警可利用带预置号功能的座机或积压的旧型手机(有此市场契机及可行性)加接专用的输入口，养殖户外出时只需***与呼出键并接的专用插头，输入预置号即可。

另外，有一种低成本的声、光控方式，即采用单稳或时钟电路控制射灯间隔定时照射水面，利用轻浮头鱼类下潜时引发的声响推动声波传感器，利用它产生的信号触发单稳态执行电路启闭增氧机，但缺点是其光刺激对重度浮头无效，使照射时间的选择难以掌握，且易使鱼产生疲劳性，但此机可面向资金少的用户群。

上述方法的实现和流程可参照附图。

Claims (6)

1.一种养殖用多功能增氧自控及报警装置，包括微处理器及必要传感器、执行部件，其特征是：利用各水产养殖机械的工作状态指示电流、传感器的工作信号、处理器的时控电路及相应输出信号组成逻辑门电路，利用其输出及***辅助器械实现各机械的有序自控及分状态、远程报警功能、可实现一人看护多台机组或多处养殖水面并可离场看护。

2.根据权利要求1所述的养殖用多功能增氧自控及报警装置，其特征是：利用声、光、电、波及其他波振探头在养殖水体中构成一定工作层面，利用游入其中的养殖种类使传感器发生感应，经具有选频、多普勒效应检测、多级计数、比较、预置功能的微处理器或带有加热元件的温度继电器检测判定为养殖种类浮头或寻食时自动报警并开关增氧机或投饵机械，其输出浮头信号可输入由光电池、模/数转换器、测量及运算管理电路、运算器、计时器组成的微处理器，由该处理器合并它测得的光照量大致推算出该养殖水体内养殖种类日内初次浮头时间，到时主动开动增氧机。

3.根据权利要求2所述的养殖用多功能增氧自控及报警装置，其特征是：为实现2利用小功率增氧设施诱使浮头种类向2的传感器靠近，从而增加2装置可靠性及准确性，采用喷雾式、小功率及防止自身运转加剧池底耗氧引发整体型缺氧。

4.据权利要求1所述的养殖用多功能增氧自控及报警装置，其特征是：在增氧机、投饵机工作部(即其轮盘或桨叶)及其相邻位置分别安装磁铁和感应线圈，利用其产生的电流推知其工作状态。

5.据权利要求1所述的养殖用多功能增氧自控及报警装置，其特征是：将一个用户的各传感器、处理器的输出和输入信号采用频率式或脉冲编码，实现无线连接，从而实现一人看护多台工作机或多处养殖水面及将处理器的报警电路加装音频芯片候与对讲机或具有预置号功能的电话连接，实现看护人员离场看护。

6.据权利要求2所述的养殖用多功能增氧自控及报警装置，其特征是：利用射灯间隔定时照射水面引发轻度浮头的鱼类下潜时的声响推动声音传感器触发单稳控制电路，控制增氧机。

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