深远海养殖活体鱼类数字身份标识与绑定装置的制作方法

本发明涉及渔业养殖，提供了一种深远海养殖活体鱼类数字身份标识与绑定装置。

背景技术：

1、深远海养殖作为现代渔业的重要组成部分，其规模化、集约化发展对养殖鱼类的个体身份标识与全生命周期数字化管理提出了迫切需求。目前，鱼类个体标识主要采用物理挂牌法、被动集成应答器（pit）标记法和声学标签法等技术手段。物理挂牌法通过在鱼体背鳍或鳃盖等部位悬挂标牌实现标识，操作简单但易脱落且可承载信息量有限。pit标记法将微型芯片植入鱼体皮下或腹腔，可存储唯一识别码，但读取距离近且依赖专用读取器。声学标签法则通过发射声学信号实现鱼类个体的远距离识别与定位，是目前深远海养殖鱼类监测的重要技术手段。然而，现有声学标签技术仍存在以下不足：现有声学标签多依赖电池供电，受限于电池容量，标签使用寿命通常仅为20天至一年不等，难以覆盖鱼类完整的养殖周期，且电池耗尽后无法更换或更换成本高昂；标签与鱼体的固定方式主要有腹腔植入和体表外挂两种，腹腔植入需要外科手术，对鱼体创伤大、易引发感染；现有标签通常采用定时发射或单信号唤醒的工作模式，存在大量无效发射，造成能量浪费。现有技术us5168473a，提供了一个或多个被动换能器用于将声音（包括来自水体中活体水生动物源的生物声波）转换为电信号，与主动声纳（回声探测）结合，形成一个集成的海洋声学系统。此外，通用显示可与卫星（gps）或罗兰定位器结合使用，使携带设备的渔船能在电子复制的区域图或地图上显示其位置，并附有鱼类位置，包括鱼类活动方向和鱼类种类指示。

技术实现思路

1、本发明通过无源自供电、背鳍微创锚定、自适应生长及双唤醒信号，实现了深远海养殖鱼类从投放至收获的长生命周期数字化身份追踪，显著延长了有效工作时长、降低了标记创伤和养殖管理成本。

2、深远海养殖活体鱼类数字身份标识与绑定装置，包括背鳍锚定基座以及设置在背鳍锚定基座内的空气腔和声学舱，背鳍锚定基座的尾部设有双稳态采集梁，双稳态采集梁的一端连接于背鳍锚定基座，其另一端为自由端；双稳态采集梁还包括钝体，钝体固定于双稳态采集梁的自由端，用于与水流相互作用产生交变激励；声学舱内部设有应答器芯片，用于发射包含鱼类身份标识的声学信号。背鳍锚定基座包括至少两根锚定销，锚定销的头部和背鳍锚定基座位于鱼类背鳍的两侧，锚定销的头部之间采用柔性元件连接。锚定销的头部位于背鳍背侧表面，背鳍锚定基座的锚定销孔位于背鳍腹侧表面，两者通过锚定销的杆部连接并从两侧夹持背鳍。关键在于，两个锚定销的头部之间采用柔性元件，例如医用级硅胶带、编织聚酯线或弹性聚合物条，进行连接，形成u形结构。该柔性元件允许两个锚定销头部之间的间距随鱼体生长和背鳍形态变化而自动微调，当鱼体长大、鳍条间距增大时，柔性元件拉伸适应。柔性元件还起到防脱作用：即使其中一个锚定销因意外原因从鳍膜中松脱，另一个锚定销仍通过柔性元件与松脱的锚定销相连，不会导致装置整体丢失。

3、装置采用外挂式背鳍锚定方案，通过背鳍锚定基座固定于养殖鱼类的背鳍基部。当鱼类处于游动状态时，水流冲击固定于双稳态采集梁自由端的钝体，钝体在单向水流作用下产生周期性漩涡脱落，形成交变升力激励双稳态采集梁。双稳态采集梁在交变激励下在其两个稳定弯曲平衡状态之间发生大幅突跳振动，贴合于梁表面的压电薄膜随梁的弯曲变形产生交变电信号。该电信号经声学舱内的电路组件（整流、储能、电源管理）处理后，为应答器芯片提供工作电能。当外部读取器（如水下声学探头）发出询问信号时，应答器芯片被唤醒，利用存储的电能发射包含该鱼类唯一身份标识的声学信号，读取器接收并解码后完成个体识别。空气腔为装置提供浮力补偿，使其在水中接近中性浮力，避免对鱼类的正常游动造成额外负担。

4、作为优选，背鳍锚定基座包括用于穿过鱼类背鳍的鳍条的锚定销，锚定销的直径小于鱼类背鳍的鳍条间距。锚定销是该装置与鱼类背鳍建立机械连接的核心执行部件。鱼类背鳍由多根平行排列的鳍条及其间的鳍膜构成，鳍条之间具有一定的自然间距。安装时，在背鳍的鳍条之间的结缔组织处，用医用穿孔器穿透鳍膜形成一个直径略小于鳍条间距的微孔，然后将锚定销穿过该微孔。锚定销穿过背鳍后，其头部位于背鳍的一侧，锚定基座位于背鳍的另一侧，两者通过锚定销的杆部形成夹持固定。锚定销的直径被设计为小于鳍条之间的自然间距，确保锚定销在穿过鳍膜时不会挤压或损伤相邻的鳍条硬骨组织。锚定销穿透的是鳍条之间的柔性结缔组织而非鳍条本身，因此对背鳍的结构完整性和力学承载能力无实质性影响。穿入完成后，锚定销头部与背鳍锚定基座之间的夹持力由背鳍鳍条的弹性变形和结缔组织的摩擦阻力共同维持，实现装置的牢固固定。

5、作为优选，双稳态采集梁偏置于背鳍锚定基座的尾部靠近鱼类背鳍的一侧，当背鳍锚定基座固定时，双稳态采集梁的中线位于鱼类背鳍的中线延长线上。

6、作为优选，双稳态采集梁的构成包括至少两片堆叠的金属薄片，金属薄片具有两个稳定的弯曲平衡状态，金属薄片的表面贴合有压电薄膜。

7、双稳态采集梁采用偏置安装布局，梁的固定端连接于锚定基座尾部靠近鱼体背鳍的位置。上述设置的目的是使梁的自由端及其连接的钝体能够沿背鳍中线方向向后延伸，并确保梁的中线与背鳍中线共线。当鱼体左右摆动时，背鳍作为鱼体纵轴的延伸，其左右摆动幅度在鳍的中线处最大、在鳍的边缘处最小。将采集梁中线对准背鳍中线，可使梁体在鱼体摆动的基底激励下获得最大的横向位移输入，从而驱动梁在两个稳态之间发生大幅突跳振动。梁体结构上，采用至少两片金属薄片堆叠复合，在制造过程中通过机械预弯或面内位移约束使薄片产生预变形，形成两个曲率方向相反的稳定弯曲平衡状态。压电薄膜紧密贴合于金属薄片表面，当薄片在稳态间突跳弯曲时，压电薄膜承受拉伸和/或压缩应变，利用正压电效应将机械应变能转化为电能。

8、作为优选，钝体为水平截面的d形，钝体的圆弧面朝向鱼类背鳍，钝体的弦面背向鱼类背鳍，钝体的弦面与水流方向垂直。钝体采用d形截面，其朝向设计为圆弧面朝向鱼体背侧，弦面朝向外侧，且弦面平面与水流方向垂直。当水流流经d形钝体时，圆弧面迎流使水流能够平滑地附着于钝体表面流动，并在圆弧面的几何引导下逐渐加速。水流流至钝体后缘的锐利棱边时，由于几何突变，附面层在该处发生确定性的流动分离，在钝体下游形成交替脱落的涡旋。涡旋脱落过程中，钝体受到垂直于水流方向的周期性横向力，该交变升力驱动双稳态采集梁在其两个稳态之间往复跨阱振动。采用d形钝体的圆弧面朝向背鳍的设计，能够使得钝体产生的尾涡与背鳍自身的尾涡发生耦合干涉，在鱼类巡航游动的速度范围内可增强涡旋脱落的强度，从而增大激励幅度。

9、作为优选，背鳍锚定基座靠近鱼类背鳍的一侧设有吸附安装座，吸附安装座设有柔性底座和延伸方向与水流方向垂直的吸附槽。吸附安装座设置于背鳍锚定基座与鱼体背鳍表面相接触的一侧，其功能是利用水流动力学效应增强锚定基座与背鳍之间的附着稳定性。吸附安装座的主体为柔性底座，柔性底座在锚定销锁紧时被压贴在背鳍表面，其弹性变形能够适应背鳍表面的微观起伏，消除间隙，形成良好的密封接触界面。柔性底座的表面设有吸附槽，吸附槽的延伸方向被设计为垂直于水流方向。当鱼类游动时，水流沿鱼体纵轴流经吸附安装座表面，水流经过横向延伸的吸附槽时，槽内流道截面突变导致流速局部增大、静压降低，在吸附槽内形成相对于外部水压的负压区。该负压产生一个垂直于背鳍表面、指向吸附安装座的吸附力，将锚定基座更牢固地压紧在背鳍表面。

10、作为优选，声学舱包括应答器芯片和电路组件，应答器芯片为存储有唯一识别码的存储介质，采用至少两个唤醒信号唤醒，且仅在同时接收到两个或两个以上唤醒信号时发射声学信号；

11、电路组件包括全桥整流器、电容器以及电源管理芯片，电源管理芯片设有欠压锁定电路。

12、双稳态采集梁上的压电薄膜产生的交变电信号首先进入全桥整流器，将交流电转换为脉动直流电；整流后的电能被输送至电容器进行存储和缓冲，电容器作为能量池在空闲时积累电能，在需要发射时瞬时释放大电流；电源管理芯片负责监控电容器的电压状态，其内置的欠压锁定电路确保只有当电容器电压达到预设阈值，阈值为足以支撑一次完整声学发射的最低电压时，才允许负载接通，避免电容器在电压不足时反复尝试启动导致的能量消耗。

13、应答器芯片内部存储有该鱼类个体的唯一识别码，芯片采用至少两个唤醒信号的触发逻辑——即只有当芯片同时接收到至少两个独立的唤醒信号时，才激活发射电路发出包含识别码的声学信号。

14、作为优选，背鳍锚定基座还设有压力传感膜，压力传感膜垂直于水流方向布置，用于检测鱼游动时作用在背鳍锚定基座上的水流动压；

15、压力传感膜与应答器芯片电连接，应答器芯片配置为：当压力传感膜检测到的水流动压低于预设阈值时，应答器芯片配置为保持休眠状态；当水流动压高于预设阈值时，压力传感膜持续产生一个唤醒信号。

16、压力传感膜作为游动状态传感器集成于背鳍锚定基座表面，其布置方向为垂直于水流方向。当鱼类在深远海养殖网箱中游动时，水流冲击压力传感膜表面，产生与流速平方成正比的动压作用力。该动压力被压力传感膜转换为电信号。压力传感膜与应答器芯片电连接，将其检测到的动压信号持续传输至芯片的唤醒逻辑判断电路。芯片内置比较器将实时动压值与预设阈值进行比较：当动压低于阈值时，芯片判断当前无有效能量采集条件，因此保持深度休眠状态；当动压高于阈值时，芯片判断当前具备能量采集条件，压力传感膜持续产生一个唤醒信号输送给应答器芯片的唤醒逻辑输入端。

17、作为优选，至少两个唤醒信号包括由压力传感膜产生的第一唤醒信号和由外部声学询问信号触发的第二唤醒信号，应答器芯片仅在同时接收到第一唤醒信号和第二唤醒信号时发射声学信号。

18、该优选方案将双唤醒信号具体化为第一唤醒信号和第二唤醒信号。两种唤醒信号在应答器芯片的唤醒逻辑电路中被定义为“与”的关系——两个信号必须同时存在时，芯片才能进入发射状态。当鱼静止、死亡或者装置脱落时，第一唤醒信号为低电平，即使外部读取器发射询问信号，芯片因缺少第一唤醒信号而不会发射。只有当鱼以一定速度巡游明确为活体时，第一唤醒信号变为高电平，此时芯片接收到第一唤醒信号，进入半唤醒待命状态，当外部读取器在此时发射询问信号，芯片接收到第二唤醒信号，芯片启动发射电路，利用电容器中积累的电能发出包含唯一识别码的声学信号。发射完成后，芯片自动返回待命状态等待下一次询问。

19、作为优选，空气腔为密封腔体，空气腔与声学舱之间设有隔离壁，空气腔设置于背鳍锚定基座内部靠近声学舱的一侧。

20、空气腔是该装置实现水中近中性浮力的核心结构，其具体构成为背鳍锚定基座内部的密封空腔结构。空气腔与声学舱在基座内部通过隔离壁实现物理隔离，空气腔位于基座靠近声学舱一侧的内部空间，声学舱则容纳电路组件和应答器芯片。该隔离壁的关键作用在于：一方面将空气腔的密封空气与声学舱的电子元件分隔开，防止空气腔内的空气进入声学舱造成电路腐蚀；另一方面，隔离壁作为结构隔板增强了背鳍锚定基座的整体刚度。空气腔被设计为密封腔体，其内部充有常压空气，当装置浸入水中时，空气腔内的空气被封闭在腔体内无法排出，排开水的体积增加，从而为装置提供向上的浮力。通过精确设计空气腔的容积，可使装置的整体平均密度接近海水密度，实现水中近中性浮力状态。

21、本发明具有以下有益效果：采用背鳍锚定基座与锚定销构成的微创固定结构，配合柔性元件自适应跟随鱼体生长，结合空气腔的近中性浮力补偿，显著降低了装置对鱼类游动行为和生长发育的影响；利用双稳态采集梁在低频流体交变激励下的大幅值跨阱振动特性，实现了养殖鱼类游动能量的高效采集与转换，结合电容器储能和欠压锁定管理，为应答器芯片提供了可靠的自供电保障；压力传感膜与应答器芯片电连接，通过水流动压与外部声学询问信号构成双重唤醒机制，确保应答器芯片仅在鱼类游动且被外部主动询问时发射声学信号，降低无效功耗，显著延长有效工作时长，降低了养殖管理成本和标记操作复杂度。