鱼领者-传感仿生鱼行为与品质评估的领航研究

（基金项目：2024年省级大学生创新训练项目，项目编号：S202413634001）

摘要：近几年，随着国内消费者对水产品需求的持续增长，中国已经成为世界最大水产品生产国之一。当前消费者对健康意识的提升和对食品安全的重视，市场对于高品质、无污染的水产品需求持续增长，推动渔业高质量发展已经成为刻不容缓的问题。针对上述问题，推出机械鱼进行解决，机械鱼是一款融合尖端传感技术和精密机械工程的创新产品，旨在通过模拟自然生态条件，精确调控养殖环境，从而显著提升鱼类的生长质量与健康水平。本文深入洞察鱼类生长的微环境需求，运用多维度传感反馈，为现代淡水养殖甚至是水产养殖带来一场前所未有的品质革命。

关键词：水产；传感；品质；养殖。

引言

在中国渔产发展网对2024年渔产预测中，指出当前中国水产品市场规模保持稳定增长，预计2024年将达到6612万吨。中国渔业作为国民经济的重要支柱，经历了改革开放的高速发展和近年来的调整整顿，现已步入持续、稳定、健康的发展阶段，中国渔业的发展，首先一定是产业质量的显著提升，以市场为导向的运作模式，推动了产品结构和生产方式的及时调整，强化产品质量管控，不仅提高了渔业的综合效益，也实现了渔业产值和渔民收入的大幅增长；其次，水产养殖领域质量和效益的明显提高，新的养殖技术和品种的引进，推动了养殖领域的进一步拓展，养殖规模逐渐扩大，工业化养殖和生态健康养殖模式得到快速发展，推动了养殖业的规模化和集约化，为渔业的长远发展奠定了良好基础。

一、发展原因

在发展迅速的当下，全球对生态环境保护意识的增强，设计机械鱼的首要原因是让其用于监测水质、评估生态系统健康状况，以及引导鱼群远离污染区域或危险区域，从而间接改善鱼类生存环境，提升鱼类品质。在后续的发展，随着传感器的安装，机械鱼可以对鱼类数量、种类分布、行为模式等数据收集，帮助渔业管理者科学评估资源量，制定合理的捕捞政策，避免过度捕捞，维护鱼类种群的可持续性；还可以作为研究工具，帮助科学家深入理解鱼类游泳机制、群体行为等生物学问题，还促进了新型推进技术、材料科学和控制算法的发展。在水产养殖业，机械鱼可以配备水质监测传感器，实时监控溶解氧、pH值、氨氮等关键指标，确保养殖环境最优，直接促进鱼类健康成长，提高养殖效率和鱼类品质。未来基于传感技术的机械鱼将在智能化、集成化、微型化和自主性上持续发展，结合人工智能、大数据分析等先进技术，进一步拓宽其在改善鱼类品质及相关领域的应用范围。

二、创新点与特色

机械鱼的主要创新点分为三个：全方位环境传感网络，这是集成温湿度、溶解氧、水质污染物、光照强度等多种高精度传感器，实时监测养殖水体的各项指标，确保环境条件始终处于鱼类生长的最佳状态。通过云端数据分析，智能识别并预警潜在的环境风险，预防疾病爆发，减少药物使用。无线传感器网络在数据开放平台运行过程中发挥着重要作用[1]，其原理是通过自组织无线通信技术，完成对现实物理世界的感知和监控，并将感知信息传递至数据开放平台，作为后续应用的基础[2]；智能机械鱼引导系统，采用生物仿真设计的机械鱼，内置姿态控制与环境感知模块，能够根据传感数据动态调整其行为模式。机械鱼引领鱼群进行有规律的游动，促进鱼体血液循环，增强体质，同时通过精确的引导，有效避免过度拥挤，减少应激反应，提升鱼群的整体活力和抗压能力；最后为精准投喂与营养管理，结合鱼类生长阶段与活动量，机械鱼协同智能投饵系统，实现按需精准投喂，减少饲料浪费，优化饲料转化率，确保鱼类营养均衡，促进快速健康成长，提升肉质紧实度与风味。

其中水质检测技术是机械鱼运用大量传感器、控制器、检测器，对水质采用实时监测，可以快速发现水产养殖基地、鱼类生存环境的变化。整个过程是机械鱼进行游动，发现异常，传输数据，大数据分析，后台向养殖户进行预警，快速高效。在温度检测方面选择使用DS18B20测温，原因是其振荡频率不会受到温度的影响且DS18B20温度识别模块可以很好地完成水下作业，适用于各种水体的温度检测，其通过输出数字信号对设备进行数字测温和控制领域[3]。使用TCS230颜色检测模块判断水体颜色，是因为其可以有效地解决辐射测温对周围环境有很大影响的问题，还可以消除辐射测温受环境影响较大的缺点[4]。

对项目创新点所使用到的部件有传感器、驱动装置和智能控制系统。传感器是机械鱼感知环境的关键，比如温度传感器、溶解氧传感器、pH值传感器等等，可以监测水质指标，为后续的环境调控提供数据支持。驱动装置则是让机械鱼在水中运动的动力来源，一般由电机、减速器、螺旋桨等组成。电机提供动力，减速器可以降低转速，增加扭矩，螺旋桨则将电机的旋转转化为推力，推动机械鱼在水中前进。它可以根据预设的轨道驱动鱼类运动，增强它们的运动量。智能控制系统则是整个项目的“大脑”，由控制器、执行器和通信模块等组成。控制器根据预设的算法和策略，对传感器收集到的数据进行分析和处理，生成控制信号，执行器则根据控制信号，驱动机械鱼的运动和环境调控设备的工作，通信模块则负责将数据传输到远程监控平台或移动终端，实现远程监控和智能化的养殖管理。

三、整体流程

机械鱼在养殖水域中不断游动，它身上的传感器会实时监测水质数据，包括水温、酸碱度、溶氧量等等。这些数据会通过无线网络传输到远程监控平台。所使用到的运动轨道技术也会根据养殖水域的环境和鱼类的生长需求生成最优的运动轨道。这些轨道可以帮助机械鱼更好地巡视水域，确保每个角落都能被监测到。智能识别系统会通过图像识别，识别出养殖水域中的鱼类。它可以判断鱼类的种类、数量、大小、健康状况等信息。如果发现有鱼类出现异常，系统会立即发出警报。养殖人员可以通过远程监控平台随时查看水质数据、机械鱼的位置和状态，以及鱼类的识别信息。他们可以根据这些数据做出决策，比如调整养殖策略、启动水质净化设备或者给鱼类喂食。如果水质数据超出了正常范围，系统会自动触发预警机制。养殖人员会收到通知，并采取相应的措施来改善水质。通过机械鱼的不断监测和数据分析，养殖人员可以更好地了解鱼类的生长情况，及时发现问题并解决。这样可以提高养殖效率，减少鱼类死亡率，同时也可以保证水产品的质量和安全。

参考文献

[1]张本宏，江贺训.基于二分K-means的无线传感器网络分簇方法[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2020，43（01）：39-44+123.

[2]孔小婧，周漪.激光传感节点通信中的低能耗调度算法[J].激光杂志，2020，41（06）：126-130.DOI：10.14016/j.cnki.jgzz.2020.06.126.

[3]付佳怡，王世鑫，杨林波，等.基于NB-IoT的远程水质监测系统[J].智能城市，2024，10（01）：99-101.DOI：10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.031.

[4]赵光艺，汤代斌，赵光兴.基于TCS230的颜色法测温系统设计[J].赤峰学院学报（自然科学版），2013，29（03）：48-49.DOI：10.13398/j.cnki.issn1673-260x.2013.03.034.