阅读说明：本技术 电栅拦鱼的测试分析系统和测试分析方法 (Test analysis system and test analysis method for electric fence fish blocking ) 是由 黄伟 赵亦欣 范玥 袁海波 黄健桓 张佩衡 吴延妍 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种电栅拦鱼的测试分析系统,包括：控制器,用于测试目标水域预设水体单元的等效电阻并根据所述等效电阻输出目标水域的拦鱼参数；充放电模块,包括充电回路和放电回路,用于接收所述控制器发出的信号,并根据所述信号充电或放电；采样电路,用于采集所述等效电阻两端的电压,并将所述电压信号发送给所述控制器；电容容量校准模块,用于测量所述充放电模块的电容的容量,并将所述容量值发送至所述控制器；电源,用于给所述控制器、充放电模块、采样电路和电容容量校准模块提供工作用电。所述测试分析系统自动测试目标水域水体单元的等效电阻,并根据电极间距,分析输出电栅拦鱼的节点机数量和放电频率。(The invention provides a test analysis system for electric fence fish, comprising: the controller is used for testing the equivalent resistance of a preset water body unit of a target water area and outputting fish blocking parameters of the target water area according to the equivalent resistance; the charging and discharging module comprises a charging loop and a discharging loop and is used for receiving the signal sent by the controller and charging or discharging according to the signal; the sampling circuit is used for collecting voltages at two ends of the equivalent resistor and sending the voltage signals to the controller; the capacitance capacity calibration module is used for measuring the capacity of the capacitor of the charge-discharge module and sending the capacity value to the controller; and the power supply is used for supplying working power to the controller, the charge-discharge module, the sampling circuit and the capacitance capacity calibration module. The test analysis system automatically tests the equivalent resistance of the water body unit of the target water area and analyzes and outputs the node machine number and the discharge frequency of the electric grid fish blocking according to the electrode spacing.)

电栅拦鱼的测试分析系统和测试分析方法

技术领域

本发明涉及电栅拦/赶鱼领域，尤其涉及电栅拦鱼的测试分析系统和测试分析方法。

背景技术

我国淡水渔业养殖长期以追求经济效益为主，对江河湖泊和水库过度开发，尤其是网箱养鱼严重破坏了水体生态环境。解决水质安全与渔业养殖可持续发展是关系渔业发展、渔民增收、食品安全和维护生态的重大问题。电拦鱼系统是保护水质安全、恢复水生态环境及现代渔业养殖可持续发展的关键设施和最有效切入手段，满足生态渔业养殖需要，符合国家环境保护国策，可改善我国渔业产品安全和品质。电拦鱼系统的放电电栅通过水体释放电脉冲驱赶鱼类，工程中水体电阻受地磁场、离子浓度、电感电容效应等因素综合影响，应视为一个等效电阻。电栅之间水体等效电阻直接影响到脉冲电流、放电时间，进而对拦鱼效果产生极大影响。目前，通常由工程人员根据经验估算节点机数量、调整电栅间距和放电频率，但往往因为不同水体导电能力不同而产生很大偏差。

因此，亟需实时测量电脉冲放电过程中的水体等效电阻，根据电磁学原理和鱼的电刺激反应特征，结合水体等效电阻计算模型，原始创新建立电拦鱼工作流程的机理模型，从而进行智能推荐，分析计算出电栅间距、节点机数量和放电频率的电栅拦鱼测试分析系统和测试分析方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种电栅拦鱼的测试分析系统和测试分析方法。

本发明提供一种电栅拦鱼的测试分析系统，其特征在于：

包括：

控制器，用于测试目标水域预设水体单元的等效电阻并根据所述等效电阻输出目标水域的拦鱼参数；

充放电模块，包括充电回路和放电回路，用于接收所述控制器发出的信号，并根据所述信号充电或放电；

采样电路，用于采集所述等效电阻两端的电压，并将所述电压信号发送给所述控制器；

电容容量校准模块，用于测量所述充放电模块的电容的容量，并将所述容量值发送至所述控制器；

电源，用于给所述控制器、充放电模块、采样电路和电容容量校准模块提供工作用电。

进一步，所述拦鱼参数至少包括节点机数量和放电频率。

进一步，所述系统还包括故障自诊断模块，所述故障自诊断模块包括电容自诊断电路和低电量自诊断电路；

所述电容自诊断电路用于在所述充放电煤矿的预设电容出现故障时将故障信号发送给所述控制器；

所述低电量自诊断电路用于在所述电源的电压低于预设电压后，将所述电源电量过低的信号传输至所述控制器。

进一步，所述体统还包括显示模块，所述显示模块与所述控制器的输出端连接，用于接收并显示所述控制器输出的信息。

相应的本发明还提供你一种电栅拦鱼的测试分析系统的测试分析方法，用于权利要求1至4任一所述的电栅拦鱼的测试分析系统，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：确定目标水域预设水体单元，将所述水体单元与充放电模块连接组成一阶RC充放电回路；

S2：控制器启动电容容量校准模块，获得所述预设电容的校准电容C_实；

S3：测试所述目标水域预设水体单元的等效电阻R_b；

S4：确定电栅拦鱼的电极间距；

S5：分析获得电栅拦鱼系统的节点机数量；

S6：分析获得电栅拦鱼系统的放电频率。

进一步，所述步骤S2具体为：

用确定阻值的精密电阻替代一阶RC放电回路中所述目标水域水体单元的等效电阻；

进行充放电操作，获取所述预设电容的对所述精密电阻的放电时间常数

τ₂，根据公式

获得预设电容的电容值，其中，C_实为预设电容的校准电容值，τ₂为预设电容对所述精密电阻的放电时间常数，R_精为精密电阻阻值。

进一步，所述步骤S3包括：

a.预设M组放电时间，利用所述充放电模块对所述目标水体的水体单元不完全放电，分别获得M组放电时间对应的所述目标水体的水体单元等效电阻两端电压数据U₀(t)；

b.采用最小二乘法拟合电压数据U₀(t)求得预设电容的放电时间常数τ₁；

c.根据公式

确定所述目标水体的水体单元的等效电阻R_b，其中，R_b表示目标水体的水体单元的等效电阻，C_实表示预设电容的校准电容值，τ₁表示所述一阶RC充放电回路的时间常数。

进一步，所述不完全放电具体为在放电过程中，当所述等效电阻两端的电压低于预设电压后，结束放电。

进一步，所述节点机数量K采用如下方法确定：

其中，K表示节点机数量，W表示电极间距，R_b表示目标水体的水体单元的等效电阻，D_max表示目标水体深度的最大值，L表示目标水体宽度，N表示中间变量。

进一步，所述放电频率采用f如下方法确定：

其中，W表示电极间距，R_b表示目标水体的水体单元的等效电阻，L表示目标水体宽度，K表示节点机数量，D_max表示目标水体深度的最大值，τ表示充放电时间常数，C表示电栅组成的电容的电容量，t表示放电时间，U_CUT表示放电截止电压，r表示拦鱼距离，f表示电栅拦鱼系统的放电频率。

本发明的有益效果：本发明记载的技术方案，实时测量电脉冲放电过程中的水体等效电阻，根据电磁学原理和鱼的电刺激反应特征，结合水体等效电阻计算模型，原始创新建立电拦鱼工作流程的机理模型，从而进行智能推荐，分析计算出电栅间距、节点机数量和放电频率，从而实现电栅拦鱼的智能化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的电栅拦鱼的测试分析系统的结构图。

图2为本发明的一阶RC充放电回路电路原理图。

图3为本发明的测试分析方法流程图。

图4为本发明的充电过程完全放电和不完全放电的电压瞬态响应图。

图5为本发明的放电过程完全放电和不完全放电的电流瞬态响应图。

图6为本发明的一对电极场强计算示意图。

图7为本发明的相邻电极对A点场强的影响示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：

本发明提供一种用于电栅拦鱼的测试分析系统，其特征在于：

包括：

控制器，用于测试目标水域预设水体单元的等效电阻并根据所述等效电阻输出目标水域的拦鱼参数；所述控制器采用现有的可编程控制芯片，在本实施例中，所述控制器采用STM32F407VGT6芯片；

充放电模块，包括充电回路和放电回路，用于接收所述控制器发出的信号，并根据所述信号充电或放电；将所述电源电压作为输入信号，目标水域水体等效电阻两端的电压作为输出信号，组成如图2所示的充放电回路。其中，U_in为电池供电电压，R_in为充电回路限流电阻，S为充放电回路切换开关，C为电容，R_水为待测水体等效电阻。测试分析仪中开关S由2个开关管组成，由所述控制器控制，分别接入充电回路和放电回路。充放电回路利用一阶RC电路充放电的原理，先由电池向电容充电，再由电容向水体等效电阻放电。

采样电路，用于采集所述等效电阻两端的电压，并将所述电压信号发送给所述控制器；采样电路模块定时读取水体等效电阻两端的电压，传入所述控制器进行数据拟合。

电容容量校准模块，用于测量所述充放电模块的电容的容量，并将所述容量值发送至所述控制器；随着使用时间的增加，或使用过程中温度的变化，充放电回路中的电容容量会发生变化。因此，设计自校准模块，在测量水体等效电阻之前，先校准电容容量，以确保计算结果准确。本系统还包括存储器，所述存储器与所述控制器通信连接。

电源，用于给所述控制器、充放电模块、采样电路和电容容量校准模块提供工作用电。由于测试分析仪是一个便携式设备，需要有独立的电源，所述电源采用现有的蓄电池，如使用6块标称电压3.7V的锂电池串联给测试分析仪供电。每一块锂电池满电电压为4.2V，放电截止电压为3.33V。故测试分析仪中锂电池组最高提供25.2V电压，考虑到电池的使用寿命，电池组放电至20.4V时，测试分析仪不再工作。为了便于计算和分析，将测试分析仪中电池组的输出电压默认为24V。

所述拦鱼参数至少包括节点机数量和放电频率。考虑电拦鱼系统的成本，分为一次性成本和长期成本，一次性成本可主要通过降低节点机数量来节省，而长期成本则可以通过减小放电频率来降低。如能在实现拦鱼效果的基础上，确定最小的节点机数量和最小的放电频率，在满足拦鱼性能的基础上最大限度的节省了成本。对用户推荐电极间距W、节点机数量k和放电频率f三个参数，可让用户不再使用经验参数去部署节点机和电机，大大节省了时间和成本。在本实施例中电极间距为用户自己在1米到2米之间确定。即电极间距为离线修定参数。

所述系统还包括故障自诊断模块，所述故障自诊断模块包括电容自诊断电路和低电量自诊断电路；

所述电容自诊断电路用于在所述充放电煤矿的预设电容出现故障时将故障信号发送给所述控制器；

所述低电量自诊断电路用于在所述电源的电压低于预设电压后，将所述电源电量过低的信号传输至所述控制器。

故障自诊断模块，主要是为了满足测试分析仪的设备易用性需求，方便用户快速定位测试分析仪故障类型，在一定程度上提高设备使用的安全性。故障自诊断模块包括电容自诊断电路和低电量自诊断电路两部分。低电量自诊断电路通过定时读取电池组的输出电压来判断电池电量，当电压低于预设电压后，由所述控制器控制所述电源停止向外供电，即所述测试分析系统不再工作。电容自诊断电路，可以在电容发生故障的情况下，让用户快速知晓电容状态，发生故障后，所述控制器控制所述充放电模块停止工作，防止短路。

电容自诊断电路，可以在电容发生故障的情况下，让用户快速知晓电容状态。发生故障后，MCU不再进行充放电以防止短路，

所述体统还包括显示模块，所述显示模块与所述控制器的输出端连接，用于接收并显示所述控制器输出的信息。用于实现用于与所述测试分析系统的信息交互，使用户从显示屏上清楚的获知节点机数量和放电频率。

相应的，本发明还提供一种电栅拦鱼的测试分析系统的测试分析方法，用于权利要求1至4任一所述的电栅拦鱼的测试分析系统，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：确定目标水域预设水体单元，将所述水体单元与充放电模块连接组成一阶RC充放电回路；在本实施例中，所述目标水域预设水体单元2cm×2cm的小面积水体单元；

S2：控制器启动电容容量校准模块，获得所述预设电容的校准电容C_实；

S3：测量所述目标水域预设水体单元的等效电阻R_b；

S4：确定电栅拦鱼的电极间距；所述电极间距在1米到2米之间，本领域技术人员可根据实际需要确定电极间距，在本实施例中电极间距是在1米到2米之间取值，如1.1米、1.2米、1.3米；

S5：分析获得电栅拦鱼系统的节点机数量；

S6：分析获得电栅拦鱼系统的放电频率。

通过上述方法，实时测量电脉冲放电过程中的水体等效电阻，根据电磁学原理和鱼的电刺激反应特征，结合水体等效电阻计算模型，原始创新建立电拦鱼工作流程的机理模型，从而进行智能推荐，分析计算出电栅间距、节点机数量和放电频率，从而实现电栅拦鱼的智能化。

所述步骤S2具体为：

用确定阻值的精密电阻替代一阶RC放电回路中所述目标水域水体单元的等效电阻；

进行充放电操作，获取所述预设电容的对所述精密电阻的放电时间常数

τ₂，根据公式

获得预设电容的电容值，其中，C_实为预设电容的校准电容值，τ₂为预设电容对所述精密电阻的放电时间常数，R_精为精密电阻阻值。

随着使用时间的增加，或使用过程中温度的变化，充放电回路中的电容容量会发生变化。因此，设计自校准模块，在测量水体等效电阻之前，先校准电容容量，以确保计算结果准确。

所述步骤S3包括：

a.预设M组放电时间，利用所述充放电模块对所述目标水体的水体单元不完全放电，分别获得M组放电时间对应的所述目标水体的水体单元等效电阻两端电压数据U₀(t)；

b.采用最小二乘法拟合电压数据U₀(t)求得预设电容的放电时间常数τ₁；

c.根据公式

确定所述目标水体的水体单元的等效电阻R_b，其中，R_b表示目标水体的水体单元的等效电阻，C_实表示预设电容的校准电容值，τ₁表示所述一阶RC充放电回路的时间常数。

在所述目标水域的水体单元的测量等效电阻前，先进行电容自动校准，将R_水切换为一个1k的精密电阻R(图中未画出)，进行充放电并采样，通过计算τ＝C·R的大小来校准C获得电容的校准C_实。测量过程中，将S接入充电回路，电池通过充电回路对电容充电，电容充满时的电压为U_c(0)。当S接入放电回路时，由电容向水体等效电阻放电，采集电容电压变化数据U_c(t)，当放电时间到达预定值时，停止放电，则U_c(t)与U_O(t)满足零输入响应方程^[3]：

U_C(t)＝U_C(0)·e^-t/τ

确定放电时间τ₂，获得充放电回路的电容的校准电容值C_实。

所述不完全放电具体为在放电过程中，当所述等效电阻两端的电压低于预设电压后，结束放电。结束放电，此时电容两端仍存在一定电压U_cut，因而充、放电过程的动态模型有所改变。

假设当放电时间t＝τ时结束放电，电容内存在剩余电压：

U_cut＝0.368·U_C(0)，其中，U_c(0)表示电容充满时的电压，U_cut表示放电结束后电容两端的电压；

对于充电回路而言，电路达到稳态时的电容电压U_CF仍等于电池电压，电容充电的初始电压值U_CI等于U_cut，则充电过程的响应方程为：

U_c(t)＝U_CF+(U_cut-U_CF)e^-t/τ

＝U_in-0.632U_ine^-t/τ

＝U_in(1-0.632e^-t/τ)

充电过程在完全放电和不完全放电两种方式的电压瞬态响应曲线如图4所示，

用表示不完全放电方式充电电流，I_C(t)表示完全放电方式充电电流，则有：

则充电过程在完全放电和不完全放电两种方式的电流瞬态响应曲线如图5所示。

不完全放电带来的好处包括：

(1)节能。充电电流流经电阻R_in会产生功耗，不完全放电方式充电电流小于完全放电方式，设不完全放电方式电阻消耗功率为

电池供电功率为

完全放电方式电阻消耗功率为P_R、电池供电功率为P，当t＝τ结束放电时，可得：

P^*＝0.632P

因此，不完全放电方式可大幅度降低设备能耗。

(2)避免低压放电。放电回路中存在二极管和三极管，当电容对水体等效电阻放电时，初始放电电流较大，二极管和三极管的正向导通压降基本上恒定不变，可视为2个常数，但随着电容电压逐渐减小，放电电流也逐渐减小，二极管和三极管正向导通压降将可能发生较大变化，导致曲线拟合结果不准确。

所述节点机数量K采用如下方法确定：

其中，K表示节点机数量，W表示电极间距，R_b表示目标水体的水体单元的等效电阻，D_max表示目标水体深度的最大值，L表示目标水体宽度，N表示中间变量。

所述放电频率采用f如下方法确定：

其中，W表示电极间距，R_b表示目标水体的水体单元的等效电阻，L表示目标水体宽度，K表示节点机数量，D_max表示目标水体深度的最大值，τ表示充放电时间常数，C表示电栅组成的电容的电容量，t表示放电时间，U_CUT表示放电截止电压，r表示拦鱼距离，f表示电栅拦鱼系统的放电频率。

本设计针对的电拦鱼系统节点机最高电压为360V，进行不完全放电后，剩余电压为截止电压U_cut，360V放电至截止电压U_cut的时间t_cut作为有效脉冲宽度，脉冲有效宽度通常为0.2～0.5ms，在放电过程中，将电极看成电偶极子，电极之间形成场强大于一定值时，就可让鱼产生刺激感，达到拦鱼效果。如图6所示，当两根电极之间电压差为U_cut时，两根电极中心点电势就为

A点位于电偶极子中心垂直线(等势线)上，所以A点电势也为

假设A点场强大小为E，正电极对A产生的场强为E₀，由于与正负电极距离相等，所以负电极对A产生的场强也为E₀，但两者的矢量方向不等，可得：

其中，L₁为A点到正电极的距离，W为两电极之间的间距。设正电极对A产生的场强E₀，矢量方向与水平夹角为α，根据电磁学原理，由平行四边形法则可得A点场强为：

在实际工程应用中，A点场强大小还会受到相邻电极的影响，在此，仅考虑了另外两根距离相对较近的电极对其的影响，如图7所示。

靠外的一组电极对A点产生的场强大小为E'，E'的计算方式与E类似，但其间距为3W，所以，产生的场强值小于E且与E方向相反。由此可得：

E_实际＝E-E' (5)

将式(4)代入式(5)，可得到A点的电场强度计算模型。

在生态养殖中，电拦鱼系统一般拦截的鱼类是长度大于6cm的鱼，根据鱼的生理刺激感应条件，在电极放电过程中，鱼头、鱼尾之间场强需大于10V/m才能使鱼有刺激感，即作用在6cm长的鱼身上电压至少为0.6V。在本实施例中，所述V_鱼＝10V/m×L_鱼，其中L_鱼表示被拦鱼的鱼头至鱼尾的长度。考虑到鱼可能是沿等势线进入电场，则电场只能作用在鱼背上，鱼背厚度一般是鱼体长度的17％，则6cm长的鱼鱼背厚度约1cm，因此，在A点的场强应大于0.6V/cm，才能在鱼身上形成0.6V以上的电压差，对鱼产生刺激感，故有约束条件：

E_实际≥0.6V/cm (6)

联合式(4)、式(5)和式(6)，可得被拦鱼敏感电压与场强及鱼厚度之间计算模型。

按照鱼的生理学特征，鱼受到刺激时的最大逃逸速度为2m/s，按照电拦鱼的规范，放电频率f应为2Hz～10Hz。在鱼的游速一定情况下，放电频率f越高，则必须达到的有效拦鱼距离r就越小：

其中，r的单位为cm。为了保证拦鱼效果，鱼的游速取其最快逃逸速度为2m/s，可得r的取值范围为20cm～100cm。

根据放电过程曲线可知：

τ＝R_FC (8)

其中，U_o为放电时输出电压，U_in为360V，τ为时间常数。t为放电时间，当放电过程被截止时，U₀＝U_cut，t＝t_cut，t_cut即放电脉冲有效宽度，应为0.2～0.5ms。

R_F为大面积水体等效电阻，R_b为专用测试分析仪测得的小面积水体等效电阻，其测量方法可参见2.4节的内容。大面积水体等效电阻为

R_Fi为第i个节点机的负载，R_小为可测量的小面积水体等效电阻，L为用户设置河面宽度，D_max为用户设置深度，k为节点机数量。由于节点机本身要求负载大于1.5Ω，工业中使用的电极间距W多为1m～2m，我们取W＝{1.1,1.2,1.3...2.0}，计算过程如下：

1.代入(9)式可得，满足要求的最小的k值，对其取整，得到最少的节点机数量。将整数k带入式(10)，

求得R_F，带入(8)式，令t＝0.2ms和0.5ms，可算出U_cut＝U₀。

再代入(6)式，可求得最大的拦鱼有效范围r。

将r代入(7)式，可算出然后挑选出满足要求最小的放电频率f。

考虑电拦鱼系统的成本，分为一次性成本和长期成本，一次性成本可主要通过降低节点机数量来节省，而长期成本则可以通过减小放电频率来降低。

通过建立模型，我们寻找到最小的节点机数量和最小的放电频率，在满足拦鱼性能的基础上最大限度的节省了成本。对用户推荐电极间距W、节点机数量k和放电频率f三个参数，可让用户不再使用经验参数去部署节点机和电机，大大节省了时间和成本。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。