[发明专利]一种用于水产养殖的智能化按需投料装置及运行方法

权利要求书

1.一种水产养殖的智能化按需投料方法，其特征在于所述方法需要利用智能化按需投料装置，所述智能化按需投料装置包括水听器、自动化投料机和智能投料系统控制器；水听器布置在养殖水体中，自动化投料机和智能投料系统控制器设置在陆上；三者之间有数据线连接；

水听器采集的信号传递给智能投料系统控制器，智能投料系统控制器能够对自动化投料机发出指令，控制饵料的投放；

所述方法具体包括如下步骤：

(一)水听器采集养殖水体中的音频数据，并将音频数据传送给智能投料系统控制器实时分析处理；

(二)智能投料系统控制器实时采集水听器的音频数据，根据背景噪声高出阈值的量值以及进食特征信号的能量值，输出饲料的控制信号，控制信号分为0、1、2、……N,不同等级；

智能投料系统控制器根据运算得出投料的控制信号，遵循“下料多抛料快，下料少抛料慢”的原则进行控制；

(三)自动化投料机运行方法

所述步骤(二)中智能投料系统控制器根据背景噪声高出阈值的量值以及进食特征信号的能量值，输出饲料控制信号的方法如下：

1)背景噪声和进食特征信号的阈值检测

水听器连接一个数据处理模块和短时数据存储模块；水听器采集的信号进入数据处理模块，获得背景噪声能级以及进食特征信号能级，处理结果保存在存储模块中，用于进行背景噪声和进食特征信号的阈值检测；

所述背景噪声的阈值检测的具体步骤如下：

(1)计算背景噪声的声压级

将采集到的噪声数据以每5分钟为单位分段，分段后的数据使用FFT方法做功率谱分析；谱分析时，应把数据再细分为多段，然后对多段数据分别做FFT，保证FFT的频率分辨率小于1Hz；对每段数据应进行加窗处理；多段数据之间进行功率谱平均，获得该时间段的背景噪声的功率谱，进而获得该时间段背景噪声的声压级；具体步骤为：

设t_i时刻接收器收到的海洋环境噪声信号p_n(t_i)，对p_n(t_i)做傅里叶变换：

P_n(f_i)＝FFT(p_n(t_i))，其中f_i＝if_s/N,i＝1,2,...,N；f_s为采样频率，N为FFT的点数；

以f₀为中心频率，其中f₀＜f_s/2，在一定带宽范围内Δf＝f_b-f_a，f_a≤f₀≤f_b，进行求和平均，获得背景噪声的强度：

其中i_a＝Nf_a/f_s,i_b＝Nf_b/f_s；

对一定时间内的噪声强度进行平均，

背景噪声的声压级L_pf＝10log₁₀(I/I₀)，I₀为参考声强；

遵循ANSI标准的S1.6-1984中通讯频率三分之一倍频程的划分标准，选取合适的f_a和f_b，分析背景噪声声压级；

将计算得到的背景噪声声压级存储进存储模块；

(2)设置背景噪声的阈值

在水生动物进食欲望强烈时，对应背景噪声的声压级较高；背景噪声的声压级降低，意味着进食的需求降低；不需要进食时，背景噪声的声压级回复到正常状态；

根据存储模块中的背景噪声的声压级，每半小时进行平均，获得平均背景噪声的声压级A；实时获取存储的背景噪声的声压级的最大值B,阈值选取为T＝A+1/3*(B-A)；

(3)对背景噪声进行阈值检测

在背景噪声的实时声压级L_pf低于阈值T时，flag_n设为0；当背景噪声高于阈值时，flag_n设为1，富余量N＝L_pf-T；

所述进食特征信号的阈值检测方法：

在水生动物进食欲望强烈时，进食特征信号声压谱级也较高；进食特征信号声压谱级降低，意味着进食的需求降低；不需要进食时，进食特征信号声压谱级回复到正常状态；

(1)计算进食特征信号的声压谱级

进食特征信号有特定的频段，计算该频段内的进食特征信号的声压谱级，获得进食特征信号的声压谱级,具体步骤如下：

按照公式(1)计算以f₁为中心频率，其中f₁＜f_s/2，在一定带宽范围内Δf′＝f′_b-f′_a，f′_a≤f₁≤f′_b的信号强度I′_n，对一定时间内的信号强度进行平均，

进食特征信号的声压谱级L_ps＝10log₁₀(I′/I₀)-10log₁₀(Δf′)，I₀为参考声强；

选取合适的f′_a和f′_b，分析进食特征信号的声压谱级；将计算得到的进食特征信号声压谱级存储进存储模块；

(2)设置进食特征信号声压谱级的阈值

根据存储模块中的进食特征信号的声压谱级，每半小时进行平均，获得平均进食特征信号的声压谱级As；实时获取存储的进食特征信号的声压谱级的最大值Bs；阈值选取为Ts＝As+3；

(3)对进食特征信号进行阈值检测

a、当瞬时进食特征信号声压谱级L_psTs时，flag_s设为0；

b、当瞬时进食特征信号声压谱级L_psTs时，flag_s设为1，富余量Ns＝L_ps-Ts；

2)投喂控制

根据背景噪声高出阈值的量值以及进食特征信号的能量值，输出饲料投喂的控制信号nc，nc＝0～nc_m，数值对应饲料投喂开关的开合大小，0为全闭合，nc_m为全开放；nc_m根据需要进行设置；

投喂开始时，nc＝nc_m；下式中的[]为取整操作；

1)当flag_s＝0，flag_n＝0时，nc＝0；

2)当flag_s＝0，flag_n＝1时，nc＝[N/(B-T)*nc_m]；

3)当flag_s＝1，flag_n＝0时，nc＝[Ns/(Bs-Ts)*nc_m]；

4)当flag_s＝1，flag_n＝1时，nc取[Ns/(Bs-Ts)*nc_m]和[N/(B-T)*nc_m]二者的最大值；

所述步骤(三)自动化投料机运行方法：

(1)投料机实时接收智能投料系统控制器输出的控制信号，传输至下料控制器和抛料电机控制器转换为投料信号，控制下料速度和抛料速度，也即投料信号为下料速度信号和抛料速度信号；

(2)下料控制器根据接收到的下料速度信号等级，驱动下料口圆盘旋转至对应角度，不同下料速度信号等级对应圆盘0°到90°旋转角度，0°圆盘处于水平位置，停止下料，90°圆盘处于垂直位置，为最大下料速度；

(3)抛料电机控制器根据接收到的控制信号等级，驱动抛料盘电机旋转以带动抛料盘，不同抛料速度信号等级代表抛料盘电机运转速度不同，0表示电机停止运转，最高等级的抛料速度信号代表抛料盘电机100％转速。