智能魚(yú)菜共生裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

　　摘要:針對(duì)室內(nèi)養(yǎng)殖花卉果蔬和觀賞魚(yú)占地面積較大、不衛(wèi)生及魚(yú)類(lèi)清洗換水麻煩等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制的魚(yú)菜共生裝置。裝置由水循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)、自動(dòng)供氧系統(tǒng)、自動(dòng)補(bǔ)光系統(tǒng)、自動(dòng)加熱系統(tǒng)、水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)、電路保護(hù)系統(tǒng)、水溫水位檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)喂食系統(tǒng)，以及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)構(gòu)成。該裝置采用的潮汐式水循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)減少了水資源的浪費(fèi)，自動(dòng)補(bǔ)光、供氧、喂食系統(tǒng)能夠保證動(dòng)植物在無(wú)人的狀態(tài)下能夠正常生存，且控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測(cè)量模塊的準(zhǔn)確性保證控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確輸出信號(hào)。該設(shè)計(jì)減少了養(yǎng)魚(yú)時(shí)換水次數(shù)，同時(shí)可利用養(yǎng)魚(yú)產(chǎn)生的廢水種植綠色蔬菜。蔬菜無(wú)土栽培對(duì)比試驗(yàn)表明:植物在生長(zhǎng)期的形態(tài)指標(biāo)要優(yōu)于傳統(tǒng)土培和普通水培的植物，研究結(jié)果為物聯(lián)網(wǎng)智能栽培、養(yǎng)殖系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

　　本文源自濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-02-20《農(nóng)機(jī)化研究》雜志，于1979年經(jīng)國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:23-1233/S，本刊在國(guó)內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中主要欄目有：試驗(yàn)研究、新技術(shù)應(yīng)用、環(huán)境與能源動(dòng)力工程等。

　　關(guān)鍵詞:智能家居;物聯(lián)網(wǎng);魚(yú)菜共生;自動(dòng)化

　　0引言

　　經(jīng)濟(jì)發(fā)展激起了人們對(duì)生活方式、物質(zhì)文化及自身健康的追求，而綠色植物不僅能美化環(huán)境，還是凈化空氣的有效方法之一。據(jù)有關(guān)資料介紹，許多植物具有凈化空氣的能力，如一株成年的君子蘭一晝夜能吸收1L空氣，釋放80%的氧氣[1];而動(dòng)物可以讓人持續(xù)緊張的思維得到很大程度的放松，更利于提高工作效率。越來(lái)越多的人選擇在室內(nèi)種植、養(yǎng)殖綠色植物和動(dòng)物。但是，大多數(shù)人對(duì)于種植、養(yǎng)殖往往要花費(fèi)大量時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)，為了能在一定程度上減少種植、養(yǎng)殖的繁瑣步驟，提出了將二者連接起來(lái)的魚(yú)菜共生技術(shù)。該技術(shù)是利用養(yǎng)殖廢水作為植物灌溉水，積累水分、養(yǎng)分，供給植物生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保、資源、經(jīng)濟(jì)三位一體[2]。

　　目前，對(duì)于該技術(shù)的成熟應(yīng)用實(shí)例很少，大多只停留在理論與試驗(yàn)階段，且其結(jié)構(gòu)往往相對(duì)較大，民用和商用較多，針對(duì)家用魚(yú)菜共生裝置的相關(guān)研究較少，且家用魚(yú)菜共生裝置工作時(shí)存在噪音大、占地面積大、故障率高等問(wèn)題，主要原因是其智能化水平低及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不完善。目前，將家用智能裝備與物聯(lián)網(wǎng)有效結(jié)合是智能家居發(fā)展的主流趨勢(shì)，針對(duì)以上問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)根據(jù)現(xiàn)代辦公室(家庭、幼兒園)要求和市場(chǎng)情況，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)[3]、自動(dòng)控制、農(nóng)業(yè)工程等領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究。

　　1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　魚(yú)菜共生系統(tǒng)概念最早有頗多爭(zhēng)議。1970年，澳大利亞的園藝愛(ài)好者們借助互聯(lián)網(wǎng)最早提出了魚(yú)菜共生的概念;1997年，維爾京群島大學(xué)的詹姆斯博士及同事們研發(fā)了一種基于深水栽培的大型魚(yú)菜共生系統(tǒng)。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織也把小型魚(yú)菜共生系統(tǒng)作為可持續(xù)農(nóng)業(yè)模式向全球推薦，一些發(fā)達(dá)國(guó)家室內(nèi)魚(yú)菜共生裝置相對(duì)而言更加普遍，種類(lèi)比較多，但有的功能仍需完善。

　　國(guó)內(nèi)實(shí)施“魚(yú)菜共生”概念比夏威夷還要早，只是并未形成專(zhuān)門(mén)的理論學(xué)說(shuō)，如過(guò)去的水稻田養(yǎng)魚(yú)、桑基魚(yú)塘等，這些都是魚(yú)菜共生的實(shí)施形式。國(guó)內(nèi)專(zhuān)注于魚(yú)菜共生領(lǐng)域的研究并不多，種類(lèi)也比較單一，主要是由于目前人們對(duì)室內(nèi)的魚(yú)菜共生裝置的概念還比較陌生，普遍都是使用單純的魚(yú)缸和花盆。陳喜雪等[4]研制的陽(yáng)臺(tái)魚(yú)菜共生裝置具有很強(qiáng)的觀賞價(jià)值，整體外觀簡(jiǎn)潔，裝置強(qiáng)度高、耐老化。而室外的魚(yú)菜共生裝置使用者相對(duì)較多，但室外的魚(yú)菜共生裝置結(jié)構(gòu)比較大，多為地下式，功能也相對(duì)較少，且需要大量人力管理。

　　2基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制的魚(yú)菜共生裝置

　　2.1核心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　裝置主要由潮汐式水循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)、自動(dòng)供氧系統(tǒng)、自動(dòng)補(bǔ)光系統(tǒng)、水溫恒定系統(tǒng)、電路保護(hù)系統(tǒng)、水位檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)喂食系統(tǒng)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)8個(gè)部分構(gòu)成，技術(shù)路線如圖1所示。

　　2.1.1自動(dòng)喂食系統(tǒng)

　　自動(dòng)喂食系統(tǒng)解決了人為投放飼料時(shí)間不規(guī)律、投放量不準(zhǔn)確等問(wèn)題。裝置根據(jù)提前設(shè)定單片機(jī)參數(shù)，使投料電機(jī)定時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)定圈數(shù)，定時(shí)定量投喂飼料，使養(yǎng)魚(yú)更加科學(xué)規(guī)律，更有利于魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)。

　　2.1.2水溫恒定系統(tǒng)

　　水溫恒定系統(tǒng)由加熱棒、溫度探針和單片機(jī)組成，能將水溫始終維持目標(biāo)設(shè)定溫度，以滿足不同種類(lèi)魚(yú)對(duì)水溫不同的需求，保證魚(yú)始終在最適宜的溫度生長(zhǎng)。

　　2.1.3自動(dòng)補(bǔ)光系統(tǒng)

　　自動(dòng)補(bǔ)光系統(tǒng)通過(guò)超聲波傳感器TELESKYUS-100檢測(cè)植物高度及光敏電阻傳感器LM393接收光照強(qiáng)度的變化信息[7]，將檢測(cè)信息反饋給ArduinoUNO主控板進(jìn)行整理分析并做出判斷;然后，通過(guò)42步進(jìn)電機(jī)控制裝置上方的節(jié)能燈高度，同時(shí)繼電器控制LED植物補(bǔ)光燈的亮滅，從而給予植物一個(gè)穩(wěn)定的光照環(huán)境，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。

　　2.1.4潮汐式水循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)

　　潮汐式水循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)是本裝置的基礎(chǔ)。養(yǎng)殖水體與種植系統(tǒng)分離，兩者之間通過(guò)運(yùn)水管連接。水泵將水產(chǎn)養(yǎng)殖的水通過(guò)送水管輸送到水培裝置中的陶粒濾床[8]，通過(guò)濾床中的陶粒與植物根部、虹吸口的過(guò)濾海綿完成過(guò)濾，過(guò)濾完成的水又回到魚(yú)缸中，從而完成水循環(huán)。生長(zhǎng)在濾床上的細(xì)菌將水中的氨氮分解成亞硝酸鹽然后被硝化細(xì)菌分解成硝酸鹽，硝酸鹽可以直接被植物作為營(yíng)養(yǎng)吸收利用。模仿潮汐完成的水分水循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)魚(yú)不換水而無(wú)水質(zhì)憂患、種菜不施肥而正常成長(zhǎng)的生態(tài)共生效應(yīng)[5]。

　　2.1.5斷電保護(hù)系統(tǒng)

　　裝置內(nèi)設(shè)有斷電保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)所連接家用電源斷電時(shí)，系統(tǒng)智能識(shí)別，向用戶端發(fā)出警告，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切換到裝置內(nèi)部蓄電池供電模式，維持供氧系統(tǒng)正常工作，持續(xù)為魚(yú)類(lèi)供氧;待家用電源恢復(fù)供電，系統(tǒng)自動(dòng)重新切換為家用電源供電模式，并為蓄電池充電;蓄電池充滿電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷后切斷為蓄電池充電動(dòng)作。

　　2.1.6遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

　　裝置使用C語(yǔ)言配合機(jī)智云實(shí)現(xiàn)手機(jī)端APP設(shè)計(jì)。在機(jī)智云平臺(tái)[6]建立一個(gè)新項(xiàng)目，通過(guò)MCU鏈接魚(yú)菜共生裝置所用WIFI信號(hào)，燒入固件，配置網(wǎng)絡(luò)信息，編碼程序生成一個(gè)APP，在APP中添加相應(yīng)的設(shè)備完成手機(jī)APP的設(shè)計(jì)制作。同時(shí)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把魚(yú)菜共生裝置端數(shù)據(jù)傳輸給ESP8266-12F網(wǎng)絡(luò)模塊，通過(guò)手機(jī)端呈現(xiàn)給用戶。

　　以人工智能、自動(dòng)控制等現(xiàn)代化技術(shù)手段為依托，構(gòu)建基于光、溫、水、質(zhì)的檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)，創(chuàng)建一個(gè)初等小型生態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)各系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，各單元獨(dú)立執(zhí)行系統(tǒng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)水循環(huán)、光補(bǔ)充等環(huán)節(jié)自發(fā)適應(yīng)調(diào)控，使動(dòng)植物達(dá)到科學(xué)的協(xié)同共生。

　　2.2智能魚(yú)菜共生裝置結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

　　2.2.1工作原理

　　單片機(jī)定時(shí)控制喂食裝置的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)給魚(yú)定時(shí)、定量投放食料，魚(yú)兒產(chǎn)生的糞便及水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以水作為載體被水泵通過(guò)送水管輸送到植物種植槽中，經(jīng)種植槽中的陶粒、植物根系和海綿泡沫過(guò)濾后流回魚(yú)缸，水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)由生長(zhǎng)在種植槽中的微生物分解后被植物吸收。當(dāng)光敏傳感器檢測(cè)到植物生長(zhǎng)環(huán)境中的光照強(qiáng)度不足時(shí)，燈架上的補(bǔ)光燈自動(dòng)開(kāi)啟，為植物補(bǔ)充光照，從而縮短植物的生長(zhǎng)周期;同時(shí)，燈架上的測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)植物與補(bǔ)光燈的距離，通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)調(diào)整補(bǔ)光燈與植株的距離，使補(bǔ)充的光得到最有效利用。

　　通過(guò)對(duì)智能魚(yú)菜共生裝置的研究，團(tuán)隊(duì)研制了一款實(shí)物樣機(jī)，如圖2～圖5所示。

　　2.2.2燈架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　燈架主要由電機(jī)、滾珠絲桿、伸縮桿、支撐架組成，支撐架上固定有光敏電阻、超聲波傳感器和LED燈。當(dāng)支架上的超聲波傳感器檢測(cè)到植物與燈架的距離小于設(shè)定值時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)從而伸縮桿伸長(zhǎng)支撐架上移到目標(biāo)距離。

　　2.2.3自動(dòng)喂食裝置設(shè)計(jì)

　　自動(dòng)喂食裝置主要由步進(jìn)電機(jī)、螺旋送食導(dǎo)桿和儲(chǔ)食槽組成。工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺旋送食導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動(dòng)從而將儲(chǔ)食槽中的飼料運(yùn)送到出料口投喂到魚(yú)缸中，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)來(lái)控制投喂飼料的多少。

　　2.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)部分以ArduinoUNO主控板為核心，主要包括系統(tǒng)初始化、時(shí)鐘時(shí)序及端口控制等，從而實(shí)現(xiàn)由步進(jìn)電機(jī)利用單片機(jī)對(duì)外圍電路的自動(dòng)控制。系統(tǒng)通過(guò)光敏傳感器LM393檢測(cè)光照強(qiáng)度，與設(shè)定的參考值進(jìn)行比較，控制LED燈開(kāi)關(guān)適時(shí)啟動(dòng)與關(guān)閉。利用超聲波測(cè)距傳感器HY-SRF05檢測(cè)補(bǔ)光燈與植物的距離，單片機(jī)通過(guò)與設(shè)定參考值比對(duì)從而控制燈架的上升下降達(dá)到最適宜補(bǔ)光距離。用水溫傳感器PT100實(shí)時(shí)向單片機(jī)反饋水溫信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)反饋的水溫信號(hào)在實(shí)時(shí)調(diào)整加熱器的加熱溫度，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，將水溫準(zhǔn)確控制在魚(yú)生長(zhǎng)的最適溫度。利用水位傳感器XK35-3實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的監(jiān)測(cè)[10-11]，水位低于設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)向用戶發(fā)送水位報(bào)警提示。系統(tǒng)通過(guò)時(shí)鐘程序，控制喂食機(jī)構(gòu)中步進(jìn)電機(jī)定時(shí)旋轉(zhuǎn)設(shè)定圈數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量喂食。通過(guò)C語(yǔ)言配合機(jī)智云實(shí)現(xiàn)了手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)控，在機(jī)智云平臺(tái)建立一個(gè)新項(xiàng)目，讓MCU連接魚(yú)菜共生裝置所用的WIFI信號(hào)，燒入固件，配置網(wǎng)絡(luò)信息，編碼程序生成一個(gè)APP。在APP中添加相應(yīng)的設(shè)備完成手機(jī)APP的設(shè)計(jì)制作，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將魚(yú)菜共生裝置端數(shù)據(jù)傳輸給ESP8266-12F網(wǎng)絡(luò)模塊[12]，通過(guò)手機(jī)端呈現(xiàn)給用戶。控制系統(tǒng)工作原理如圖6所示。

　　3綠植栽培試驗(yàn)

　　3.1試驗(yàn)材料

　　綠植栽培通過(guò)陶粒固定根系，以魚(yú)飼料殘?jiān)棒~(yú)糞為肥料，植物整個(gè)生命周期[13]無(wú)需施肥，可有效避免土壤育苗帶來(lái)的土傳病害和蟲(chóng)害，便于科學(xué)、規(guī)范管理。試驗(yàn)綠植選取豌豆，豌豆種植時(shí)間短、易存活。水培對(duì)照組營(yíng)養(yǎng)液根據(jù)改良霍格蘭配方自制配得，土培對(duì)照組土壤為普通花土。

　　3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　試驗(yàn)于2019年10月10日在重慶文理學(xué)院智能農(nóng)業(yè)裝備與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。種子統(tǒng)一采用水培方式發(fā)芽后，將其移植至各處理組;移植后隔天采集一次空氣溫濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，如表1所示。試驗(yàn)分為傳統(tǒng)土培、普通水培和魚(yú)菜共生裝置栽培3組，栽植周期為9天。植株不同時(shí)期生長(zhǎng)情況如圖7所示。栽植結(jié)束后，每種培養(yǎng)方式各取10株豌豆苗為測(cè)量對(duì)象，進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。

　　3.3測(cè)定項(xiàng)目和分析方法

　　對(duì)每組植株分別進(jìn)行1～10標(biāo)號(hào)，計(jì)算每株植株高度、莖長(zhǎng)、根長(zhǎng)及干鮮重。通過(guò)測(cè)定上述指標(biāo)對(duì)比植株形態(tài)差異[14]。

　　3.4結(jié)果與分析

　　不同養(yǎng)植方式對(duì)植株形態(tài)指標(biāo)的影響程度不同。從表2～表4中可看出:智能魚(yú)菜共生裝置養(yǎng)植的植株根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)、莖粗等顯著高于傳統(tǒng)土培和普通水培，植株長(zhǎng)勢(shì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)土培和普通水培。試驗(yàn)期間，土培需要定時(shí)定量的人工給水，而智能魚(yú)菜共生裝置無(wú)需人工過(guò)多管理，省去許多人力和時(shí)間。種植期間，土培綠植出現(xiàn)了葉片發(fā)黃現(xiàn)象，采用人工對(duì)其施肥補(bǔ)救使得后期綠植正常生長(zhǎng)。

　　普通水培由于保溫效果差、光照供給達(dá)不到植株的理想生存條件、水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足等問(wèn)題使植株生長(zhǎng)緩慢、細(xì)弱;智能魚(yú)菜共生裝置能夠保持水恒溫、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足、自動(dòng)補(bǔ)光使得植株長(zhǎng)勢(shì)均勻、養(yǎng)植過(guò)程簡(jiǎn)單方便等更適宜植物生長(zhǎng)。

　　4結(jié)論

　　1)智能魚(yú)菜共生裝置在正常室內(nèi)環(huán)境下的運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)綠植生長(zhǎng)環(huán)境光照強(qiáng)度、水溫的自適應(yīng)調(diào)控，縮短了植物生長(zhǎng)周期。

　　2)裝置的潮汐式水循環(huán)系統(tǒng)能夠同時(shí)滿足魚(yú)類(lèi)和植物的生長(zhǎng)要求;魚(yú)菜共生裝置可有效節(jié)約人們打理植物的時(shí)間;水循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)可減少水資源的浪費(fèi)，綠色環(huán)保。

　　3)裝置的自動(dòng)喂食裝置能夠按需對(duì)魚(yú)類(lèi)進(jìn)行投喂，減少養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)的操作步驟，縮短魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)周期。

　　4)魚(yú)菜共生裝置能夠?qū)崿F(xiàn)斷電保護(hù)。當(dāng)電源停止供電時(shí)，系統(tǒng)智能識(shí)別并向用戶端發(fā)出警告，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切換到裝置內(nèi)部蓄電池供電。

　　5)通過(guò)手機(jī)APP能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)裝置的遠(yuǎn)程操控，當(dāng)裝置出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)發(fā)饋并通過(guò)手機(jī)端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。