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CN111443744A - 基于鱼群行为和排氨规律反馈的循环水养殖变速流智能控制系统 - Google Patents

基于鱼群行为和排氨规律反馈的循环水养殖变速流智能控制系统 Download PDF

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CN111443744A CN202010305566.0A CN202010305566A CN111443744A CN 111443744 A CN111443744 A CN 111443744A CN 202010305566 A CN202010305566 A CN 202010305566A CN 111443744 A CN111443744 A CN 111443744A
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Abstract

本发明公开了一种基于鱼群行为和排氨规律反馈的循环水养殖变速流智能控制系统，系统包括养殖池、生物滤池、投饲机、高清摄像头、变频水泵等；该系统主要利用机器视觉和深度学习技术对鱼群行为和排氨规律进行实时分析和评估，以此制定变速流策略。本发明的系统结构简单，方法精准简便，本发明的变速流智能控制系统能使鱼群生活在较佳的流速中，促进其生长，并且在降低能耗的同时保障养殖水体水质。

Description

基于鱼群行为和排氨规律反馈的循环水养殖变速流智能控制 系统
技术领域
本发明涉及一种循环水养殖变速流智能控制设备，尤其是涉及一种基于鱼群行为和排氨规律反馈的循环水养殖变速流智能控制系统。
背景技术
随着人民群众生活水平提高及健康意识的增强，人们对蛋白质的需求逐渐增加。鱼肉作为优质蛋白质的来源，近年其消费量的增加十分显著，这极大地促进了水产养殖业的高速发展。循环水养殖方式以其环境友好、节能、节水等优势，逐步被人们所接受和越来越多的被应用到生产实践中去。循环水养殖系统(RAS)可以提供可控的环境，系统的大小不受环境条件限制，可以控制养殖水产品的生长速度，甚至可以预计产量。与传统养殖方式相比，循环水养殖生产方式每单位产量可以节约90～99％的水消耗和99％的土地占用，且几乎不污染环境。在循环水养殖过程中，流速是十分重要的一个因素，而目前循环水养殖系统通常采用额定速率的循环水策略。高流速有利于保持良好的水质状况，但水泵会处于高速运转状态，增加了系统能耗，不利于节省成本；低流速可以降低系统能耗，但生物滤池的处理速率也随之变慢，导致养殖水质恶化，从而不利于鱼的生长。而且不合适的流速会影响鱼类生长、游泳行为和运动代谢，制约了循环水养殖的产量。
基于上述问题，本发明提出的是一种基于鱼群行为和排氨规律反馈的循环水养殖变速流智能控制系统。通过计算机视觉技术，实时获取鱼群的行为和生长状况，并以此为依据调控流速，从而在满足水质要求的基础上，达到节能减排，创造适合鱼群生长环境的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于鱼群行为和排氨规律反馈的循环水养殖变速流智能控制系统。本发明对流速的调控分为投喂前和投喂后两个阶段。投喂前通过计算机视觉系统获取鱼群游泳状态并将其作为PLC的模拟输入，PLC依据当前获取的鱼群游泳状态，改变变频水泵的转速，调整当前变速流策略；投喂后在鱼群游泳状态评估基础上，PLC依据当前获取的鱼群平均体长以及鱼群的排氨规律模型，改变变频水泵的转速，调整当前变速流策略。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于鱼群行为和排氨规律反馈的循环水养殖变速流智能控制系统，包括养殖池、生物滤池、摄像头、变频水泵、PLC控制器、投饲机、计算机。所述投饲机用于向养殖池内投饲，所述摄像头安装于养殖池正上方，摄像头、计算机、PLC控制器、变频水泵依次相连，所述的变频水泵安装于生物滤池底部。变频水泵、生物滤池均与养殖池通过管道连接，养殖池的水不断抽入生物滤池中，经生物滤池去除颗粒物并降解有机质处理后再注入养殖池内。
该系统的控制方法，包括如下步骤：
在投喂前：
1)养殖池上方的摄像头将实时拍摄画面传输至计算机；
2)计算机将当前画面进行色彩模型转换并实现对当前画面下养殖对象的像素级分割；继而利用Lukas-Kanade光流法计算已分割像素点的运动矢量v(每间隔5帧)，当abs(v)>2.4×R′/R时，则认为当前像素点属于鱼群目标前景，其中R为摄像头分辨率，R′为当前养殖水体区域在摄像头视野内的所占像素点总数；
3)计算当前鱼群游泳协作能力
Figure BDA0002455666300000031
其中n为当前画面中鱼个体数量，m为距离焦点鱼j质心两倍鱼体长范围内的鱼目标数量，v1j为焦点鱼的速度矢量(以鱼体长BL 为当前流速单位)，dij为焦点鱼j与邻近个体i(即距离焦点鱼j质心两倍鱼体长范围内的鱼目标)的质心直线距离(以鱼体长BL为单位，从而将图像上的距离转换为实际距离)；
4)当SC小于阈值
Figure BDA0002455666300000032
时，计算机经PLC 控制器控制变频水泵改变其转速，调整流速
Figure BDA0002455666300000033
其中T为所设的SC阈值，Vc为当前流速；反之，则保持原流速。
在投喂后：
1)在养殖池上方的摄像头将实时拍摄画面传输至计算机；
2)计算机将当前画面进行色彩模型转换并实现对当前画面下养殖对象的像素级分割；获得平均体长
Figure BDA0002455666300000034
其中Lj为单条鱼j 的体长；
3)建立鱼的排氨模型：
Figure BDA0002455666300000041
其中M为设定的氨氮阈值，根据经验值设定，L为鱼群平均体长，从而获得水体氨氮达到阈值的时间t。
4)当投喂后时间达到t且当前鱼群游泳协作能力SC大于阈值
Figure BDA0002455666300000042
时，开始增大流速至SC等于阈值；当投喂后时间达到(t+4h)时，恢复原流速。
本发明的有益效果是；
本发明的基于鱼群行为和排氨规律反馈的循环水养殖变速流智能控制系统，结构简单，操作方便，流速的控制由PLC执行，极大的降低了人工成本。同时，可根据鱼的不同生长阶段，动态调整变速流策略，在节能减排的基础上，改善鱼的生长环境，促进鱼的生长。
附图说明
图1是基于鱼群行为和排氨规律反馈的循环水养殖变速流智能控制系统结构图。
图中：1-投饲机；2-摄像头；3-计算机；4-PLC控制器；5-生物滤池；6-变频水泵；7-养殖池。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的一种基于鱼群行为和排氨规律反馈的循环水养殖变速流智能控制系统，包括投饲机1；高清摄像头2；计算机3； PLC控制器4；生物滤池5；变频水泵6；养殖池7；
高清摄像头2安装于养殖池7正上方，高清摄像头2与计算机3 连接，图像数据经计算机处理后传输给PLC控制器4，进而PLC控制器4控制变频水泵6的转速，所述投饲机1安装于养殖池7上方，变频水泵安装于生物滤池5底部。变频水泵、生物滤池均与养殖池通过PVC水管连接，养殖池的水不断抽入生物滤池中，经生物滤池去除颗粒物并降解有机质处理后再注入养殖池内。
应用上述的装置进行循环水养殖变速流智能调控，调控方法包括如下步骤：
在投喂前的阶段：
1)养殖池上方的高清摄像机将实时拍摄画面传输至计算机；
2)计算机将当前画面由RGB色彩模型转换至YCrCb色彩模型，在YCrCb色彩模型利用Deeplab v3+模型实现当前画面下的养殖对象的像素级分割；继而利用Lukas-Kanade光流法计算已分割像素点的运动矢量v(每间隔5帧)，当abs(v)>2.4×R′/R时，则认为当前像素点属于鱼群目标前景，其中R为高清摄像机分辨率，R′为当前养殖水体区域在摄像机视野内的所占像素点总数；
3)计算当前鱼群游泳协作能力
Figure BDA0002455666300000051
其中n为当前画面中鱼个体数量，m为焦点鱼j质心两倍鱼体长范围内的鱼目标数量，v1j为焦点鱼的速度矢量(以鱼体长BL为单位)，dij为焦点鱼j鱼最邻近个体i的质心直线距离(以鱼体长BL为单位)；
4)当SC小于阈值
Figure BDA0002455666300000052
时，计算机经PLC控制三相水泵改变其转速，调整流速
Figure BDA0002455666300000053
其中T为所设的SC 阈值，Vc为当前流速；反之，则保持原流速。
在投喂后的阶段：
1)设定氨氮阈值M；
2)在养殖池上方的高清摄像机将实时拍摄画面传输至计算机；
3)控制中心将当前画面由RGB色彩模型转换至YCrCb色彩模型，继而在YCrCb色彩模型利用Deeplab v3+模型实现当前画面下的养殖对象的像素级分割，获得平均体长
Figure BDA0002455666300000061
其中Lj为单条鱼的体长；
4)建立鱼的排氨模型：
Figure BDA0002455666300000062
其中M为设定的氨氮阈值，根据经验值设定，L为鱼群平均体长，t为摄食后的时间。代入鱼群平均体长，从而获得水体氨氮达到阈值的时间t。
5)当投喂后时间达到t且SC大于阈值
Figure BDA0002455666300000063
时，开始增大流速至SC达到上述阈值；当投喂后时间达到(t+4h)时，恢复原流速。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但本发明并非局限于此，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，做出的变形应视为属于本发明保护范围。

Claims (1)

1.一种基于鱼群行为和排氨规律反馈的循环水养殖变速流智能控制系统，其特征在于，包括养殖池(7)、生物滤池(5)、摄像头(2)、变频水泵(6)、PLC控制器(4)、投饲机(1)、计算机(3)；所述投饲机(1)用于向养殖池内投饲，所述摄像头(2)安装于养殖池(7)正上方，摄像头(2)、计算机(3)、PLC控制器(4)、变频水泵(6)依次相连，所述的变频水泵(6)安装于生物滤池(5)底部，变频水泵(6)、生物滤池(5)均与养殖池(7)通过水管连接；
该系统在投喂前：
1)养殖池上方的摄像头将实时拍摄画面传输至计算机；
2)计算机将当前画面进行色彩模型转换并实现对当前画面下养殖对象的像素级分割；继而利用Lukas-Kanade光流法计算已分割像素点的运动矢量v，当abs(v)>2.4×R′/R时，则认为当前像素点属于鱼群目标前景，其中R为摄像头分辨率，R′为当前养殖水体区域在摄像头视野内的所占像素点总数；
3)计算当前鱼群游泳协作能力
Figure FDA0002455666290000011
其中n为当前画面中鱼个体数量，m为距离焦点鱼j质心两倍鱼体长范围内的鱼目标数量，v1j为焦点鱼的速度矢量，dij为焦点鱼j与邻近个体i，即距离焦点鱼j质心两倍鱼体长范围内的鱼i的质心直线距离；
4)当SC小于阈值
Figure FDA0002455666290000012
时，计算机经PLC控制器控制变频水泵改变其转速，调整流速
Figure FDA0002455666290000021
其中T为所设的SC阈值，Vc为当前流速；反之，则保持原流速；
在投喂后：
1)在养殖池上方的摄像头将实时拍摄画面传输至计算机；
2)计算机将当前画面进行色彩模型转换并实现对当前画面下养殖对象的像素级分割；获得平均体长
Figure FDA0002455666290000022
其中Lj为单条鱼j的体长；
3)建立鱼的排氨模型：
Figure FDA0002455666290000023
其中M为设定的氨氮阈值，根据经验值设定，L为鱼群平均体长，从而获得水体氨氮达到阈值的时间t；
4)当投喂后时间达到t且当前鱼群游泳协作能力SC大于阈值
Figure FDA0002455666290000024
时，开始增大流速至SC等于阈值；当投喂后时间达到(t+4h)时，恢复原流速。
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