基于自动控制理论的新型鱼塘增氧船

文章编号：16742419（2022）01004303

摘要：文章通过对当前池塘养殖业的研究，开发了一种基于自动控制理论的新型鱼塘增氧船。新型自动增氧船定位于“互联网+高校成果专利转化之养殖水产”的模式，改变了传统的定点式增氧方式。船舱设有上下升降旋转叶轮及风机，潜水泵等，高效增氧。进气口设置高分子聚合纤维塑料作为分离单元，实现气体分离。智能控制系统，拟定增氧运行航线。增氧船的理论数据满足水动力基本要求，本文也为中国鱼塘增氧技术的发展提供思路。

关键词：新型鱼塘增氧船;自动控制;池塘养殖

中图分类号：S953文献标志码：A

在养鱼池塘中，水中溶解氧与鱼的产量一脉相连，当水体中缺氧时，鱼易浮头，严重时甚至导致鱼类泛塘死亡。同时，由于水域底层还存在着大量的死亡藻体，以及残饵和粪便等，因此在有氧条件下，可以促进他们的氧化分解[1]，从而提高了水域内有机化合物循环。水体增氧涉及到氧气的溶解度和溶解速率问题。

氧气在水中的溶解，包括三个因素，即水温、水体本身溶解氧和氧气分压。氧气在水中的溶解速度包括三个因素，即溶解氧的不饱和度、水和空气之间的接触面积、水流速度。其中水的水温和溶解氧的不饱和度是水的稳定状态，一般不会发生变化[2]。因此，为了迅速将氧气加到水中，需要直接或间接地改变氧气分压、水和空气接触面积和水流速度等。

目前池塘增氧主要有三种方法，即化学法、机械法和生物法。化学法是在养殖水体中投放一些化学物质，通过化学反应，释放氧气，但成本高，不适当的投放容易产生负面影响。生物法是指水中植物吸收二氧化碳，通过光合作用在水中释放氧气。但部分水生植物易腐烂，使水质变差，影响水产养殖种类生长。

因此，在池塘增氧方面，经常使用机械法。增氧机在近年来养殖池塘增氧中广泛使用，启动时，螺旋桨搅拌旋转水体。通过旋转形成的离心力，使上部的水体向周围扩散，增大与空气的接触面积，提高水体含氧量。但是增氧装置的增氧仅限于特定区域，水体底部含氧量較低的问题，依然无法改变。

池塘养殖增氧技术经过40多年的发展，已成为池塘养殖高产的主要技术保障。进入新世纪以后，如何将低能耗、生态、健康的增氧技术引入到生产应用中，还存在一些实际问题。目前国内所有大专院校已没有渔业机械专业，水产养殖机械专业研究机构和从事池塘增氧技术研究的人员较少。国内池塘增氧设备的制造企业有近百家，其中仅有三、四家有一定规模的企业具有一定的研究新技术、开发新产品的能力;这些状况已成为制约中国养鱼池塘增氧技术进一步发展的瓶颈。针对这种情况，研究设计了这种新型鱼塘增氧船。

1 池塘养殖业存在的问题

伴随着国家对养殖业发展的政策支持，各地水产养殖业不断兴起，在一些沿河、沿湖和沿海地区池塘养殖业随处可见，如黄河三角洲腹地淋水池塘泥鳅高产区。 他们利用当地水资源充足，环境适宜的优势从事池塘养殖业，养殖各种水产品，对其进行加工处理，运往各地经营销售。通过前期的调查发现伴随着池塘养殖业的不断民展，还面临着如下几个较为突出的问题：

1.1 资源消耗大

随着水产养殖业的迅速发展，传统的池塘养殖业资源消耗巨大、养殖成本提高并且对周边环境的影响等方面存在诸多的问题。

1.2 管理效果不佳

部分养殖户方面的追求求高密度、高强度养殖[3]。这就需要在养殖过程中增加饲料投入量，那么鱼塘底部残留的饲料和粪便明显增加，给养殖水带来了巨大环境压力。同时，水环境的恶化容易引起疾病，导致养殖鱼类的大量死亡，给养殖户造成巨大的经济损失[4]。

1.3 增氧效率差

夏季高温炎热的天气，增氧机的增氧效率不高。即使使用氢氧化钠增氧，水体的溶解氧值仍然很低。所以在气温高时，需要24小时不断增氧。给养殖户造成了极大的经济负担。

1.4 比较效益低

由于水产品质量评价体系不足，市场上不能充分反映水产品的质量，导致好的渔业产品很难以高价销售。而随着养殖成本的愈发提高，养殖户的积极性也在不断下降。

2 新型池塘增氧船工作原理

“新型自动增氧船”定位于“互联网+高校成果专利转化之养殖水产”的模式，前期以池塘增氧为切入点、以现代科技技术为载体，改善池塘养殖业的问题，之后，以环保为原则进行改进，逐步实现效益环保的双赢。

新型鱼塘增氧船（见图1），由船体、潜水泵、小型风机、螺旋桨、旋转八片叶轮和智能控制模块等部件组成。当其工作时，潜水泵的进水口可抽取鱼塘中的水，经排水口进入管道。管道上设置有进气口，风机产生的气体可经进气口进入管道内部。进气口设置有特殊选择性分离性的中空聚烯烃分离膜作为分离单元，在两侧压差的作用下，混合气体能够依靠膜中溶解扩散系数的差异实现气体分离。具有高渗透率的气体，如水蒸气和氧气，在穿透膜的过程中被富集，而相对缓慢渗透率的气体则留在膜的另一侧。此时，溶解有氧气的水体经管道通过排水孔排出。排水孔与水面存在一定的落差，在液体下落的过程中，池塘表面产生水花，增大了氧气和水体的接触面积，高效增氧。

在行驶过程中，船底安装的旋转八片叶轮可搅动水体，叶轮上的排水孔将水分子打碎，上层水与下层水互相交换，实现水体循环，同时，旋转叶轮由于机械传动作用可上下伸缩，在完成表层，上中层增氧的条件下，尽可能的完成底部增氧。

智能控制模块采用基于nRF51822 SoC的Nordic方案的蓝牙模块SKB369，接口丰富，支持UART/SPI/GPIO/IIC，孔口处连接单片机。当嵌入式蓝牙串口通讯模块SKB369，可以为增氧船模块设定控制参数及航行线路。增氧船航程一段时间后，若检测到溶解氧含量达到某一规定数值，水泵电源停止供电，增氧过程停止。

3 数据分析

各部分详细数据分析如下：

3.1 工作原理模型

当新型鱼塘增氧船工作时：潜水泵的进水口可抽取鱼塘中的水，经排水口进入管道。管道上设置有进气口，风机产生的气体可经进气口进入管道内部。进气口设置有特殊选择性分离性的高分子聚合纤维塑料作为分离单元，分离得到的较高浓度的氧气进入管道，水体经船舱上的排出孔排入池塘，我们设计增氧船的满载质量40kg。

ρ水gν排=G船=m总g （1）

由公式（1）可得：ν排=m总ggρ水=40dm3（2）

ν排=AH吃（3）

由公式（3）可得船的最大吃水深度为40mm，而船体的极限高度为400mm。此时，排出孔与水面存在一定的落差，产生的水花增大了氧气与空气的接触面积，可实现二次增氧。

2.2 分离膜的作用

中空聚烯烃分离膜是具有特殊性选择性的高分子聚合纤维塑料，能够实现难溶气体和易溶气体的分离。

2.3 水流对船体的阻力值

螺旋桨水流对船体的阻力可由下式来确定：

F阻=0.5GνS（4）

式中：Cν—流体阻力系数;S—吃水面积，m2; ρ—流体的密度，t/m3。

浸润面积S取鱼塘增氧船在满载增氧装备时候的最大吃水深度值，经过多次实验，该鱼塘增氧船的最大吃水深度为36mm，根据数学插值方法计算可得，浸润面积S≈0.323m2。设鱼塘增氧船在水中行驶时的最大速度为1m/s，则船在行驶过程中，鱼塘水流对船体的阻力为：

F阻=0.5×1.1×0.323×1×103×1=177.65N（5）

则m=F阻g=177.65/9.8=18.1kg（6）

根据预估的36mm吃水深度，双桨螺旋桨直径

D=1.2×F阻×36mm/100=76.74mm（7）

由此得出螺旋桨直径约76.74mm。螺旋桨为于船体后部，可上下伸缩，其产生的推力可以使船体灵活转向，增氧更高效。

2.4 智能控制系统

对于蓝牙连接通信，nrf51822soc基于Nordic schome的蓝牙模块，支持蓝牙4.2ble和br/EDR。内置蓝牙串行通信模块有两种工作模式。当模块处于响应命令的工作模式时，可以执行AT命令。用户可以设置控制参数或向模块发送各种AT命令，并发送模块的控制命令。该命令是一组用于设置多个终端设备参数的命令，用于多个终端设备之间的通信，如蓝牙模块和WiFi模块等。蓝牙模块提供更灵活的硬件接口。可连接单片机，拟合增氧船增氧运行路线，实现高效增氧及其智能化。

3 产品创新型优点

与现有的技术相比，该作品的创新点体现在如下方面：

增氧机载体采用流线型船体，改变了传统的定点式增氧方式，解决传统增氧方式增氧效率低下的问题。

新型的鱼塘增氧船由船体，潜水泵，小型风机，螺旋桨，旋转八片叶轮，智能控制模块等组成。船体动力采取电机与螺旋桨结合，螺旋桨放在船体后方，螺旋桨在提供推力的同时保证了增氧方式的灵活性，船舱底部设有的上下升降旋转叶轮及船内安置的风机，潜水泵等，充分增大了氧气与水体的接触面积，高效增氧。

在进气口处具有特殊选择性分离性的高分子聚合纤维塑料作为分离单元，依靠不同气体在膜中溶解和扩散系数的差异实现气体分离。增氧船底部安装旋转八片叶轮，扬水板上设置排水孔平衡阻力，同时打碎水花，增大水分了和空气的接触面积，产生的离心力可使上层水体向周边扩散，下层水体补缺，形成水体上下循环。

另外还可通过智能控制系统向该增氧船设置指令，拟定增氧运行航线，当增氧船航程一段时间后，若检测到溶解氧含量达到某一规定数值，水泵电源停止供电，增氧过程停止。

参考文献：

[1]文国东.水产养殖中有效强化鱼病防治工作的策略[J].乡村科技，2019，（36）：109-110.

[2]赵静静.水产养殖中做好鱼病防治工作的措施[J].山西农经，2018，（19）：85.

[3]关辉;许璐蕾.一种基于模糊算法的水产养殖系统增氧机智能控制方案[J].物联网技术，2021，11（10）：77-79.

[4]唐英;夏虎;陆风辉;姜吉刚;罗玉双;杨品红.鱼类感染嗜水气单胞菌后的病理特征及其防控措施[J].湖南文理学院学报（自然科学版），2017，29（03）：33-38.

A new type of pond-increasing oxygen vessel based on automatic control theory

WANG Zihao

（Hebei University of Engineering， Handan 056038， Hebei China）

Abstract：Based on the research of current pond aquaculture， a new type of fish pond oxygen-increasing vessel based on automatic control theory was developed. The new type of automatic oxygen increasing ship is located in the mode of "Internet+university achievement patent transformation of aquaculture"， which has changed the traditional fixed-point oxygen increasing mode. The cabin is equipped with up and down rotating impeller and fan， submersible pump， etc.， to increase oxygen efficiently. The inlet is set with polymer fiber plastic as a separation unit to achieve gas separation. Intelligent control system， draw up aeration running route. The theoretical data of aeration vessel meet the basic requirements of hydrodynamics. This paper also provides ideas for the development of aeration technology for fish ponds in China.

Keywords：new fishpond aerated vessel; Automatic control; Pond farming第41卷第1期2022年2月 黑龍江水产Northern Chinese Fisheries学术专论Academic monograph

作者简介：王子豪（2000.10-），男，河北张家口人。河北工程大学水利水电学院本科在校生。学习专业：水利工程。E-mail：wzh1299962776@163.com。