我国是渔具消费大国, 且近年来渔具市场呈不断增加的趋势, 竞技钓鱼比赛也越来越多, 金额越来越大, 更多的人加入了钓鱼的行列。

垂钓是一项具有技术性的活动, 传统的钓鱼工具使用起来复杂且费力, 没有系统学习钓鱼知识很难钓到鱼。王炯等人研制的钓鱼浮漂通过蓝牙通信的方式, 能够实时反映鱼漂状态^[1], 但是局限性在于其通信距离有限。冉豪等人设计的仿生新型垂钓工具, 能够提高咬钩成功率^[2], 但是自动化水平较低。

本文设计了一种基于物联网的垂钓机器人, 实现了定点、定深垂钓, 避免了钓鱼中的咬钩不中等情况。同时设备的实时状态和钓鱼数据也会上传到移动终端, 进行存储和分析, 云平台根据专家系统, 进行垂钓方案的推送, 提高垂钓成功概率。

1 系统设计

智能垂钓机器人的系统结构设计如图 1所示, 系统由ARDUINO mega为主控芯片, 手机终端设备通过4G通信控制设备的推进器, 从而能在水面移动, 当到达指定位置后, 步进电机进行定深放钩^[3]。

鱼咬钩拉鱼线时, 装置内定滑轮将拉力转换为压力, 如图 2所示, 压力信号经AD模块转换为数字信号, 输入单片机内。单片机根据传感器信息确定收线时机, 将鱼捕获, 并发出提示音, 同时移动端也会收到消息提醒^[4]。

2 系统硬件设计

选用合适的硬件, 采集到的传感器信息将会更加准确, 系统响应更快, 成功率也更高。本系统以ARDUINO mega为主控芯片, 外围电路包括4G模块、压力传感器、AD转换器、步进电机、推进器等^[5]。如表 1所示:

智能垂钓机器人的主控芯片选用了ARDUINO mega单片机, 该单片机有54个数字I/O口, 16 MHz晶体振荡器, 能够满足设计要求。系统硬件框架图如图 3所示^[6]:

2.1 4G模块

4G模块采用SIM900A模块, 它不仅支持4G全网通的网络频段, 同时支持MQTT协议、TCP协议、UDP协议, 具有GPS和北斗定位的功能^[7]。

2.2 压力传感器

压力传感器负责采集定滑轮上的拉力, 判断是否有鱼咬钩。HX711转换模块为24位的AD转换模块, 是专业的压力AD芯片, 满足设计要求。

2.3 步进电机模块

步进电机也叫脉冲电机, 当电机收到一个脉冲信号之后, 就会旋转一个角度, 这个角度称为步进角。86BYG250D步进电机有低噪音、大扭矩、响应速度快等特点, 符合设计要求。

TB6600驱动器, 是专业的两相步进电机驱动器, 可实现正反转控制, 通过3位拨码开关可以选择7档的细分控制。细分之后的步进电机的步距角为:

$ \text { 步距角 }=\frac{\text { 电机固有步距角 }}{\text { 细分数 } }。$

通过TB6600驱动器, 可以精确控制其旋转速度和旋转圈数, 可以实现定深放钩, 进而可以实现只钓一种特定的鱼种的功能。驱动器接线图如图 8所示:

2.4 推进器模块

推进器是控制智能垂钓机器人在水面移动的装置, 位于设备的两侧, 采用电调来控制推进器的转速和方向。通过调整设备位置, 实现定点垂钓功能。

3 系统软件设计 3.1 系统主程序设计

智能垂钓机器人的主程序如图 9所示。设备工作时, 系统启动初始化, 各个模块上电进入工作状态。通过4G网络与移动端进行连接, 由移动端进行控制钓鱼机器人到达指定位置, 进行放线。压力传感器将实时数据发送到主控芯片内进行数据的传输与处理。当压力数值到达设定阈值时, 进行收线操作, 操作完成后装置会发出提示, 移动端也会收到消息提醒^[8]。

3.2 装置与阿里云平台通信

上位机是基于阿里云平台提供的云服务而设计的手机APP, 实现装置实时与移动端数据通信。程序设计流程图如图 10所示。主机主控单元首先将数据发送到4G模块, 4G模块将数据发送到阿里云端, 移动端通过向云端发送请求, 获取实时数据。

根据专家系统对数据的分析, 对钓鱼方案进行智能推荐, 保证用户能够使用正确的饵料, 提高了钓鱼的成功率。专家系统整体结构图如所示。系统知识库包括数据库和规则库, 数据库包含了水域温度等事实数据；规则库包含了鱼类品种、鱼类对应饵料等数据；推理机通过构筑Rete网络, 使用正向推理中的Rate算法实现推理, 最终将推荐方案发送到用户终端。

3.3 程序界面设计

移动端基于JavaScript开发的APP。能够与阿里云进行通信, 获取设备状态和操控设备^[9]。

4 设备测试

将系统进行调试后, 进行功能测试。装置各模块能够正常工作, 移动端可以与设备进行实时通信, 系统能够快速响应, 满足设计要求。

4.1 试验结果与分析

因为垂钓的成功率关乎温度、湿度、水深等多种因素^[10]。我们选择在秋季十月上旬, 天气晴朗, 微风, 北京时间16.00, 在水深10 m的, 占地面积大约8×10⁵m²的青岛胶州如意湖进行实地试验, 试验用的鱼钩是伊豆双钩3号钩、2号鱼线。在垂钓机器人收线后, 没有脱钩和空杆即为成功。结果如表 2所示:

根据试验结果, 在0.5 m、1.0 m、2.0 m和3.0 m水深时, 成功率均在75%以上。达到预期目标。

5 结论

本设计基于物联网的智能垂钓机器人, 能够实现定点定深垂钓, 利用专家系统向用户推荐垂钓方案, 克服了传统渔具上手难, 自动化水平低等问题。

本设计的局限性在于, 当移动网络波动时, 设备的通信延迟将会较高。另外, 设备脱钩率太高, 这方面还需要不断优化。