发布日期:2012年12月01日 22:46
海洋牧场牧鱼设备研究
一种用于海洋牧场诱鱼装置的设计与开发
项目小组成员:王学雯 祁皓   指导教师:胡庆松 曹守启
本项目得到2008上海市大学生创新项目——“海洋牧场牧鱼设备研究”资助。
摘 要
    海洋牧场牧鱼设备研究——即鱼类行为控制器研制项目是由工程学院曹守启老师、胡庆松老师担任导师,带领两名物流工程专业的本科生开展进行的。
该项目的选题主要鉴于目前随着人口不断增长,人们对鱼类的需求越来越多,光靠大自然的恩赐已不能满足这种要求。我国海域面积辽阔、海洋生物种类繁多,海洋已成为向人们提供粮食、提供蛋白质和药物的重要战略领域,而海洋牧场的建立能够解决人类对于鱼类资源的需求。海洋牧场是一个在特定的海域里,能够有计划地培育和管理渔业资源而设置的人工养鱼场。在海洋牧场中利用人工鱼礁形成上升水流,带来海洋深处的营养物质,营造鱼类喜欢的生活环境。同时利用鱼类的趋光性和趋声性研制鱼类行为控制器,将人工岛礁和鱼类行为控制器相结合,从而有效聚集鱼群,对牧场中的鱼群实行有效管理和喂养,提高喂食效率,实现了生态渔业与渔业工程技术的结合,使渔业资源可持续发展。
经过一年多的项目实施,在鱼类趋光性和趋声性方面获得了大量的理论基础,找到了鱼类敏感的声波频率、峰值和光波,设计电路并制作完成焊接电路板,通过单片机的驱动实现了装置发光、发声的功能,完成了鱼类行为控制器的制作。
一、项目的选题、目的与意义
    (一)项目的目的、意义
在海洋资源日渐衰退的今天,“蓝色农业” 已经成为解决未来人口、资源、环境所带来困扰的重要方式,发展海洋牧场是进军“蓝色农业”,养护和增殖水生生物资源、实现渔业资源可持续利用的战略举措。该项目旨在研究海洋牧场建设中具有重要意义的鱼类行为控制器,该装置能够引导海洋鱼类在牧场区域内活动,以保证牧场内鱼类物种和数量的稳定,实现牧场的可持续运作和发展。
(二)选题
该项目的研究内容结合工程、海洋和水产三大学科,以工科、水产和海洋知识作为依托,结合海洋牧场需求,研究成果具有较强的实际意义和较好的可实现性。同时,本项目所研究内容与项目组成员所学知识对口,对于项目实施过程中的电路设计、电路板制作和单片机的运用,都与工科学习的背景知识相结合,有大量动手制作的部分,都是项目成员的兴趣所在。在研究实施的后期,需要对研究成果进行鱼类实验,要求项目成员进行自主实验,能够锻炼学生的全面思考能力和知识的综合运用能力,让学生在整个收集、思考、制作、实验的过程中体验科研的魅力。
二、项目的创新点与特色
(一)项目特色
利用鱼类趋光、趋声性有效集聚引导鱼类,使其在人工鱼礁范围内活动,提高某些经济品种的产量或整个海域的鱼类产量,以确保水产资源稳定和持续的增长,在利用海洋资源的同时重点保护海洋生态系统,实现可持续生态渔业。
(二)项目创新点
在项目实施过程中对鱼类趋光、趋声性的资料收集从生产、生活经验到各种书籍、文献,为得到鱼类光谱范围、声波频率做了大量功课。在对声波的研究中,使用了目前国际科学计算中较先进的Matlab音频处理器,这个软件在处理过程中能够有效进行滤波去除干扰,并结合使用傅里叶变换快速算法进行转换,对所收集到的鱼类音频进行分析,获得直观的音频频谱和峰值图,得到科学准确的数据运用于后面的进一步研究中。在随后电子元气件的选择、电路的设计和电路板的制作中,运用了电工电子,电气控制等课堂上所学习的知识,将现实知识和现实设计联系起来,并在老师的指导和帮助下完成。项目实施后期的鱼类实验在室内鱼缸中进行,缸内进行了鱼缸造景,模仿鱼类生活环境,布置有水草、石子、贝壳等装饰。实验中利用网络远程监控设备对鱼类的行为进行监控,主要目的是排除人为声响、光照等情况的干扰,获得鱼类行为控制器对鱼类行为所产生的最真实影响,并录像进行讨论分析。在这一系列的过程中,都是与胡老师、曹老师讨论汇报设计思路后,在他们的指导下,自主实施完成。
三、项目开展的体会与收获
    (一)成长
 这是我们第一次参与科研创新,在项目拟定之初我们就遇到了不小的困难。刚开始我们都只停留在想法上,有了新的思路、想法只是一闪而过,而没有付诸行动。项目开始一段时间后,没有任何进展。但在与老师不断的沟通和交流中,我们知道了创新不仅仅是火花一瞬间绽放的美丽,其实背后却是长时间探索和积累后的成果。
海洋牧场牧鱼设备的研究这一项目与我们的专业对口,又依托我校的大背景拥有一定的基础。项目刚开始时没有具体思路的我们乱了阵脚,觉得那些绝妙想法根本没有实现的可能,有些灰心,我们期待老师直接告诉我们每一步应该做什么,每一个具体的环节相应的工作。成长在中国式教育的大环境下养成了我们这样“等”着学的坏习惯,可能很多创新研究的开展最终往往会落得如此下场,最终变成一场指导老师科研工作,可是我们很幸运,我们属于被散养的“动物”,逐渐在老师的引导下开始搜索资料、查阅文献,现在想来如今我们能够在老师的臂膀下制定出一系列的研究方案与那段时间的积累不无关系,我们最直观地感受到了在学习中发现问题,在无形中学习归纳总结,并运用到了自己如今的项目中的过程与收获。
(二)项目实施构成中的成功经验
项目实施初期,我们在对鱼类敏感声波频率的收集上遇到了一些困难,在书籍、文献中所显示的鱼类信息,多为国外海岸线附近的鱼群种类,我国对于此方面的资料较少,且信息较为模糊,这就让我们在声波频率的判断及发声设备的选择上有些不知所措了。我们立刻将此问题请教老师,老师根据他对此方面的了解,告诉了我们一个目前国际科学计算中较先进的Matlab音频处理器,能够对音频进行计算分析,得到频谱图。于是,我们上网经过大量的查找收集了一些鱼类的音频资料,将其导入Matlab进行计算,得到了经过科学计算的频谱图。这些频谱图让我们得到了科学准确的声波频率和峰值,让我们对发声设备的选择、单片机程序的编写打下了基础。
(三)项目实施过程中的失败教训
随着项目的不断实施,从最初理论上的资料收集,数据的科学分析,电路图的设计,电路板的焊接制作到最后的制作成形,在老师的指导下,我们跌跌撞撞的前行,但始终朝着终点迈进。最终进入项目后期的实验和调试阶段,我们初步预想是在实验室中的鱼缸中,放入小鱼直接进行实验。把小鱼放入鱼缸的当天我们进行了一次实验,可能由于小鱼当天被来回搬运折腾地不轻,实验并没有预想中的效果,第二天我们去看它们的时候,竟然半数的小鱼已经死了。于是我们认真地分析这次实验失败的原因,发现在鱼缸的布置设计方面考虑欠缺,没有设置增氧泵,为鱼类提供氧气保证存活,同时实验室中的人声也会对鱼的行为造成影响,于是决定使用网络远程监控摄像头,在不打扰鱼儿的情况下对其进行远程观察,记录效果,目前正在此阶段的实施中。
 (四)创新思维的培养
 在此次创新项目的实施过程中,我们不断地遇到困难与问题,将它们一一解决后,我们领悟到创新能否成功,很大程度上考验的是我们是否具备求真务实、精诚合作、无私奉献、怀疑批判、百折不挠的科学精神。海洋牧场包括多学科问题,在项目开展过程中我们一边学习一边研究,很多涉及到专业以外的知识不能凭空联想,我们会一次一次来回于图书馆之间,并寻求老师的帮助指导。随着项目实施的深入,我们发现理论支撑只是浩大工程的一个开端,在投入到对装置的制作、鱼类活动的实验中后,我们才了解什么是科研创新,很多创新的想法并不是一拍脑袋就想出来的那些天马行空和不切实际,而指导老师也用他的经验告诉我们,在他的研究中很多点子并不是一蹴而就的,往往是经过了很多的尝试,在此之上,很多先前没有的绝妙想法就会自然而然的应运而生。
四、项目实施进程
(一)前期理论收集和数据处理
在项目开始阶段,我们广泛地通过图书馆、网络等渠道查询收集资料,在查询鱼类趋光性及趋声性方面获得了大量的理论基础。如果能够运用鱼群趋声性这一行为特性来诱集鱼群或驱散鱼群,就能在渔业捕捞业中提高集鱼效果并提高捕捞效率,同时,如果能够找到鱼类的敏感声波频率,将对于海洋牧场中围养鱼群和鱼群行为的控制起到重要作用。从趋光性方面来说,大多数鱼类借助视觉在生活环境中定向,产生趋光反应,我们也正是利用鱼类的这一特点来控制鱼类的行动。大部分的鱼类有色泽视觉,不过和人眼相比,鱼类能接受的光谱极狭窄,不同种类的鱼对光的强度和光谱组成反应不同,资料显示生活经济鱼类大多对绿色光较为敏感和兴趣。
(二)项目的研发制作
于是我们在网络上搜索鱼类声音的音频,使用Matlab音频处理器对其进行处理,得出清晰的频谱图。通过对频谱图的分析,我们得出了科学准确的鱼类敏感声音频率和它们的发声间隔。根据需要和实现方法,我们选用蜂鸣器和Led二极管作为发声和发光装置,并选用单片机烧入程序驱动蜂鸣器和Led二极管工作。运用AT89C51单片机驱动蜂鸣器和发光二极管的主要设计图如下:
图4 单片机驱动蜂鸣器及发光二极管设计图
    我们用单片机与蜂鸣器和发光二极管进行连接、驱动,AT89C2051单片机电路的基本原理是通过程序编写将不同频率的音频和不同波长的光导入单片机,当有信号进来时,单片机AT89C2051软件执行中断并对采集到的信号进行解码,并从串口送到PC,PC软件Girder收到串口发来的字符再根据定义做出相应的命令操作。
单片机实验板通过一个三极管来放大驱动蜂鸣器,原理图如图5:
图5 单片机驱动蜂鸣器原理图
    设计中的发光二极管工作原理如图6:
图6 单片机驱动发光二极管原理图
    最后根据电路示意图(见图4、图5、图6)用烙铁焊接各个元件连接成实物,在制作的过程中选取一块合适的电路板,对着电路图插上元件,用电烙铁进行焊接。
在下载读写好程序之后,把芯片插到电路板上的IC插座上,制作电路板工作就完成了,完成品如图7、图8。
图7 电路板实物图正面          图8 电路板实物图反面
    (三)现阶段实验效果
该电路板连接电源后能够实现发声、发光功能,项目目前已完成鱼类行为控制器装置的制作,正处于对此设备进行调试和鱼类实验阶段。
选取的黑鲷抽样测量体长6.7cm~9.4cm,部分小于6cm,最小的3.7cm,100尾。驯化过程所获取的视频影像截图见图9至图11所示。
  
图9  第一阶段:声光诱导前,只诱导不投饵
  
  图10 第二阶段: (左) 诱导并投饵进食中        (右) 投饵毕持续诱导
  
图11 第三阶段诱导,不投饵
通过预期驯化,实验阶段结束后能够对鱼类的行为产生影响,有效聚集鱼类。
 
参考文献:
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