智能魚菜共生裝置的設計與試驗研究

　　摘要:針對室內養(yǎng)殖花卉果蔬和觀賞魚占地面積較大、不衛(wèi)生及魚類清洗換水麻煩等問題，設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)遠程控制的魚菜共生裝置。裝置由水循環(huán)過濾系統(tǒng)、自動供氧系統(tǒng)、自動補光系統(tǒng)、自動加熱系統(tǒng)、水質檢測系統(tǒng)、電路保護系統(tǒng)、水溫水位檢測系統(tǒng)、自動喂食系統(tǒng)，以及遠程控制系統(tǒng)構成。該裝置采用的潮汐式水循環(huán)過濾系統(tǒng)減少了水資源的浪費，自動補光、供氧、喂食系統(tǒng)能夠保證動植物在無人的狀態(tài)下能夠正常生存，且控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測量模塊的準確性保證控制系統(tǒng)能夠準確輸出信號。該設計減少了養(yǎng)魚時換水次數(shù)，同時可利用養(yǎng)魚產(chǎn)生的廢水種植綠色蔬菜。蔬菜無土栽培對比試驗表明:植物在生長期的形態(tài)指標要優(yōu)于傳統(tǒng)土培和普通水培的植物，研究結果為物聯(lián)網(wǎng)智能栽培、養(yǎng)殖系統(tǒng)提供技術支持。

　　本文源自濟寧醫(yī)學院學報 發(fā)表時間：2021-02-20《農(nóng)機化研究》雜志，于1979年經(jīng)國家新聞出版總署批準正式創(chuàng)刊，CN:23-1233/S，本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：試驗研究、新技術應用、環(huán)境與能源動力工程等。

　　關鍵詞:智能家居;物聯(lián)網(wǎng);魚菜共生;自動化

　　0引言

　　經(jīng)濟發(fā)展激起了人們對生活方式、物質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。越來越多的人選擇在室內種植、養(yǎng)殖綠色植物和動物。但是，大多數(shù)人對于種植、養(yǎng)殖往往要花費大量時間和精力去學習，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的魚菜共生技術。該技術是利用養(yǎng)殖廢水作為植物灌溉水，積累水分、養(yǎng)分，供給植物生長，實現(xiàn)了環(huán)保、資源、經(jīng)濟三位一體[2]。

　　目前，對于該技術的成熟應用實例很少，大多只停留在理論與試驗階段，且其結構往往相對較大，民用和商用較多，針對家用魚菜共生裝置的相關研究較少，且家用魚菜共生裝置工作時存在噪音大、占地面積大、故障率高等問題，主要原因是其智能化水平低及實時監(jiān)測系統(tǒng)不完善。目前，將家用智能裝備與物聯(lián)網(wǎng)有效結合是智能家居發(fā)展的主流趨勢，針對以上問題，本團隊根據(jù)現(xiàn)代辦公室(家庭、幼兒園)要求和市場情況，結合物聯(lián)網(wǎng)[3]、自動控制、農(nóng)業(yè)工程等領域相關技術進行了研究。

　　1國內外研究現(xiàn)狀

　　魚菜共生系統(tǒng)概念最早有頗多爭議。1970年，澳大利亞的園藝愛好者們借助互聯(lián)網(wǎng)最早提出了魚菜共生的概念;1997年，維爾京群島大學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菜共生系統(tǒng)。聯(lián)合國糧農(nóng)組織也把小型魚菜共生系統(tǒng)作為可持續(xù)農(nóng)業(yè)模式向全球推薦，一些發(fā)達國家室內魚菜共生裝置相對而言更加普遍，種類比較多，但有的功能仍需完善。

　　國內實施“魚菜共生”概念比夏威夷還要早，只是并未形成專門的理論學說，如過去的水稻田養(yǎng)魚、桑基魚塘等，這些都是魚菜共生的實施形式。國內專注于魚菜共生領域的研究并不多，種類也比較單一，主要是由于目前人們對室內的魚菜共生裝置的概念還比較陌生，普遍都是使用單純的魚缸和花盆。陳喜雪等[4]研制的陽臺魚菜共生裝置具有很強的觀賞價值，整體外觀簡潔，裝置強度高、耐老化。而室外的魚菜共生裝置使用者相對較多，但室外的魚菜共生裝置結構比較大，多為地下式，功能也相對較少，且需要大量人力管理。

　　2基于物聯(lián)網(wǎng)遠程控制的魚菜共生裝置

　　2.1核心系統(tǒng)的設計

　　裝置主要由潮汐式水循環(huán)過濾系統(tǒng)、自動供氧系統(tǒng)、自動補光系統(tǒng)、水溫恒定系統(tǒng)、電路保護系統(tǒng)、水位檢測系統(tǒng)、自動喂食系統(tǒng)及遠程控制系統(tǒng)8個部分構成，技術路線如圖1所示。

　　2.1.1自動喂食系統(tǒng)

　　自動喂食系統(tǒng)解決了人為投放飼料時間不規(guī)律、投放量不準確等問題。裝置根據(jù)提前設定單片機參數(shù)，使投料電機定時轉動，設定圈數(shù)，定時定量投喂飼料，使養(yǎng)魚更加科學規(guī)律，更有利于魚類生長。

　　2.1.2水溫恒定系統(tǒng)

　　水溫恒定系統(tǒng)由加熱棒、溫度探針和單片機組成，能將水溫始終維持目標設定溫度，以滿足不同種類魚對水溫不同的需求，保證魚始終在最適宜的溫度生長。

　　2.1.3自動補光系統(tǒng)

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

　　2.1.4潮汐式水循環(huán)過濾系統(tǒng)

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

　　2.1.5斷電保護系統(tǒng)

　　裝置內設有斷電保護系統(tǒng)。當所連接家用電源斷電時，系統(tǒng)智能識別，向用戶端發(fā)出警告，同時系統(tǒng)自動切換到裝置內部蓄電池供電模式，維持供氧系統(tǒng)正常工作，持續(xù)為魚類供氧;待家用電源恢復供電，系統(tǒng)自動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，系統(tǒng)自動判斷后切斷為蓄電池充電動作。

　　2.1.6遠程控制系統(tǒng)

　　裝置使用C語言配合機智云實現(xiàn)手機端APP設計。在機智云平臺[6]建立一個新項目，通過MCU鏈接魚菜共生裝置所用WIFI信號，燒入固件，配置網(wǎng)絡信息，編碼程序生成一個APP，在APP中添加相應的設備完成手機APP的設計制作。同時，應用物聯(lián)網(wǎng)技術，把魚菜共生裝置端數(shù)據(jù)傳輸給ESP8266-12F網(wǎng)絡模塊，通過手機端呈現(xiàn)給用戶。

　　以人工智能、自動控制等現(xiàn)代化技術手段為依托，構建基于光、溫、水、質的檢測與調控系統(tǒng)，創(chuàng)建一個初等小型生態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過各系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調，各單元獨立執(zhí)行系統(tǒng)動作，實現(xiàn)水循環(huán)、光補充等環(huán)節(jié)自發(fā)適應調控，使動植物達到科學的協(xié)同共生。

　　2.2智能魚菜共生裝置結構與設計

　　2.2.1工作原理

　　單片機定時控制喂食裝置的步進電機旋轉給魚定時、定量投放食料，魚兒產(chǎn)生的糞便及水中的營養(yǎng)物質以水作為載體被水泵通過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濾后流回魚缸，水中的營養(yǎng)物質由生長在種植槽中的微生物分解后被植物吸收。當光敏傳感器檢測到植物生長環(huán)境中的光照強度不足時，燈架上的補光燈自動開啟，為植物補充光照，從而縮短植物的生長周期;同時，燈架上的測距傳感器實時檢測植物與補光燈的距離，通過單片機控制電機帶動絲桿旋轉調整補光燈與植株的距離，使補充的光得到最有效利用。

　　通過對智能魚菜共生裝置的研究，團隊研制了一款實物樣機，如圖2～圖5所示。

　　2.2.2燈架結構設計

　　燈架主要由電機、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。當支架上的超聲波傳感器檢測到植物與燈架的距離小于設定值時，電機正轉帶動滾珠絲桿轉動從而伸縮桿伸長支撐架上移到目標距離。

　　2.2.3自動喂食裝置設計

　　自動喂食裝置主要由步進電機、螺旋送食導桿和儲食槽組成。工作時，步進電機通過旋轉帶動螺旋送食導桿轉動從而將儲食槽中的飼料運送到出料口投喂到魚缸中，通過控制步進電機轉動的圈數(shù)來控制投喂飼料的多少。

　　2.3控制系統(tǒng)設計

　　軟件設計部分以ArduinoUNO主控板為核心，主要包括系統(tǒng)初始化、時鐘時序及端口控制等，從而實現(xiàn)由步進電機利用單片機對外圍電路的自動控制。系統(tǒng)通過光敏傳感器LM393檢測光照強度，與設定的參考值進行比較，控制LED燈開關適時啟動與關閉。利用超聲波測距傳感器HY-SRF05檢測補光燈與植物的距離，單片機通過與設定參考值比對從而控制燈架的上升下降達到最適宜補光距離。用水溫傳感器PT100實時向單片機反饋水溫信號，單片機根據(jù)反饋的水溫信號在實時調整加熱器的加熱溫度，從而構成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，將水溫準確控制在魚生長的最適溫度。利用水位傳感器XK35-3實現(xiàn)對水位的監(jiān)測[10-11]，水位低于設定值時系統(tǒng)向用戶發(fā)送水位報警提示。系統(tǒng)通過時鐘程序，控制喂食機構中步進電機定時旋轉設定圈數(shù)，從而實現(xiàn)定時定量喂食。通過C語言配合機智云實現(xiàn)了手機端遠程監(jiān)控，在機智云平臺建立一個新項目，讓MCU連接魚菜共生裝置所用的WIFI信號，燒入固件，配置網(wǎng)絡信息，編碼程序生成一個APP。在APP中添加相應的設備完成手機APP的設計制作，應用物聯(lián)網(wǎng)技術，將魚菜共生裝置端數(shù)據(jù)傳輸給ESP8266-12F網(wǎng)絡模塊[12]，通過手機端呈現(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

　　3.1試驗材料

　　綠植栽培通過陶粒固定根系，以魚飼料殘渣及魚糞為肥料，植物整個生命周期[13]無需施肥，可有效避免土壤育苗帶來的土傳病害和蟲害，便于科學、規(guī)范管理。試驗綠植選取豌豆，豌豆種植時間短、易存活。水培對照組營養(yǎng)液根據(jù)改良霍格蘭配方自制配得，土培對照組土壤為普通花土。

　　3.2試驗設計

　　試驗于2019年10月10日在重慶文理學院智能農(nóng)業(yè)裝備與機器人實驗室內進行。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。試驗分為傳統(tǒng)土培、普通水培和魚菜共生裝置栽培3組，栽植周期為9天。植株不同時期生長情況如圖7所示。栽植結束后，每種培養(yǎng)方式各取10株豌豆苗為測量對象，進行指標測定。

　　3.3測定項目和分析方法

　　對每組植株分別進行1～10標號，計算每株植株高度、莖長、根長及干鮮重。通過測定上述指標對比植株形態(tài)差異[14]。

　　3.4結果與分析

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

　　普通水培由于保溫效果差、光照供給達不到植株的理想生存條件、水中營養(yǎng)物質不足等問題使植株生長緩慢、細弱;智能魚菜共生裝置能夠保持水恒溫、營養(yǎng)物質充足、自動補光使得植株長勢均勻、養(yǎng)植過程簡單方便等更適宜植物生長。

　　4結論

　　1)智能魚菜共生裝置在正常室內環(huán)境下的運行，能夠實現(xiàn)綠植生長環(huán)境光照強度、水溫的自適應調控，縮短了植物生長周期。

　　2)裝置的潮汐式水循環(huán)系統(tǒng)能夠同時滿足魚類和植物的生長要求;魚菜共生裝置可有效節(jié)約人們打理植物的時間;水循環(huán)過濾系統(tǒng)可減少水資源的浪費，綠色環(huán)保。

　　3)裝置的自動喂食裝置能夠按需對魚類進行投喂，減少養(yǎng)殖魚類的操作步驟，縮短魚類生長周期。

　　4)魚菜共生裝置能夠實現(xiàn)斷電保護。當電源停止供電時，系統(tǒng)智能識別并向用戶端發(fā)出警告，同時系統(tǒng)自動切換到裝置內部蓄電池供電。

　　5)通過手機APP能夠實現(xiàn)對裝置的遠程操控，當裝置出現(xiàn)故障時能夠及時發(fā)饋并通過手機端進行遠程控制。