智能鱼菜共生装置的设计与试验研究
摘要:针对室内养殖花卉果蔬和观赏鱼占地面积较大、不卫生及鱼类清洗换水麻烦等问题，设计了一款基于物联网远程控制的鱼菜共生装置。装置由水循环过滤系统、自动供氧系统、自动补光系统、自动加热系统、水质检测系统、电路保护系统、水温水位检测系统、自动喂食系统，以及远程控制系统构成。该装置采用的潮汐式水循环过滤系统减少了水资源的浪费，自动补光、供氧、喂食系统能够保证动植物在无人的状态下能够正常生存，且控制系统的稳定性及测量模块的准确性保证控制系统能够准确输出信号。该设计减少了养鱼时换水次数，同时可利用养鱼产生的废水种植绿色蔬菜。蔬菜无土栽培对比试验表明:植物在生长期的形态指标要优于传统土培和普通水培的植物，研究结果为物联网智能栽培、养殖系统提供技术支持。
本文源自济宁医学院学报 发表时间：2021-02-20《农机化研究》杂志，于1979年经国家新闻出版总署批准正式创刊，CN:23-1233/S，本刊在国内外有广泛的覆盖面，题材新颖，信息量大、时效性强的特点，其中主要栏目有：试验研究、新技术应用、环境与能源动力工程等。
关键词:智能家居;物联网;鱼菜共生;自动化
0引言
经济发展激起了人们对生活方式、物质文化及自身健康的追求，而绿色植物不仅能美化环境，还是净化空气的有效方法之一。据有关资料介绍，许多植物具有净化空气的能力，如一株成年的君子兰一昼夜能吸收1L空气，释放80%的氧气[1];而动物可以让人持续紧张的思维得到很大程度的放松，更利于提高工作效率。越来越多的人选择在室内种植、养殖绿色植物和动物。但是，大多数人对于种植、养殖往往要花费大量时间和精力去学习，为了能在一定程度上减少种植、养殖的繁琐步骤，提出了将二者连接起来的鱼菜共生技术。该技术是利用养殖废水作为植物灌溉水，积累水分、养分，供给植物生长，实现了环保、资源、经济三位一体[2]。
目前，对于该技术的成熟应用实例很少，大多只停留在理论与试验阶段，且其结构往往相对较大，民用和商用较多，针对家用鱼菜共生装置的相关研究较少，且家用鱼菜共生装置工作时存在噪音大、占地面积大、故障率高等问题，主要原因是其智能化水平低及实时监测系统不完善。目前，将家用智能装备与物联网有效结合是智能家居发展的主流趋势，针对以上问题，本团队根据现代办公室(家庭、幼儿园)要求和市场情况，结合物联网[3]、自动控制、农业工程等领域相关技术进行了研究。
1国内外研究现状
鱼菜共生系统概念最早有颇多争议。1970年，澳大利亚的园艺爱好者们借助互联网最早提出了鱼菜共生的概念;1997年，维尔京群岛大学的詹姆斯博士及同事们研发了一种基于深水栽培的大型鱼菜共生系统。联合国粮农组织也把小型鱼菜共生系统作为可持续农业模式向全球推荐，一些发达国家室内鱼菜共生装置相对而言更加普遍，种类比较多，但有的功能仍需完善。
国内实施“鱼菜共生”概念比夏威夷还要早，只是并未形成专门的理论学说，如过去的水稻田养鱼、桑基鱼塘等，这些都是鱼菜共生的实施形式。国内专注于鱼菜共生领域的研究并不多，种类也比较单一，主要是由于目前人们对室内的鱼菜共生装置的概念还比较陌生，普遍都是使用单纯的鱼缸和花盆。陈喜雪等[4]研制的阳台鱼菜共生装置具有很强的观赏价值，整体外观简洁，装置强度高、耐老化。而室外的鱼菜共生装置使用者相对较多，但室外的鱼菜共生装置结构比较大，多为地下式，功能也相对较少，且需要大量人力管理。
2基于物联网远程控制的鱼菜共生装置
2.1核心系统的设计
装置主要由潮汐式水循环过滤系统、自动供氧系统、自动补光系统、水温恒定系统、电路保护系统、水位检测系统、自动喂食系统及远程控制系统8个部分构成，技术路线如图1所示。
2.1.1自动喂食系统
自动喂食系统解决了人为投放饲料时间不规律、投放量不准确等问题。装置根据提前设定单片机参数，使投料电机定时转动，设定圈数，定时定量投喂饲料，使养鱼更加科学规律，更有利于鱼类生长。
2.1.2水温恒定系统
水温恒定系统由加热棒、温度探针和单片机组成，能将水温始终维持目标设定温度，以满足不同种类鱼对水温不同的需求，保证鱼始终在最适宜的温度生长。
2.1.3自动补光系统
自动补光系统通过超声波传感器TELESKYUS-100检测植物高度及光敏电阻传感器LM393接收光照强度的变化信息[7]，将检测信息反馈给ArduinoUNO主控板进行整理分析并做出判断;然后，通过42步进电机控制装置上方的节能灯高度，同时继电器控制LED植物补光灯的亮灭，从而给予植物一个稳定的光照环境，促进植物的生长。
2.1.4潮汐式水循环过滤系统
潮汐式水循环过滤系统是本装置的基础。养殖水体与种植系统分离，两者之间通过运水管连接。水泵将水产养殖的水通过送水管输送到水培装置中的陶粒滤床[8]，通过滤床中的陶粒与植物根部、虹吸口的过滤海绵完成过滤，过滤完成的水又回到鱼缸中，从而完成水循环。生长在滤床上的细菌将水中的氨氮分解成亚硝酸盐然后被硝化细菌分解成硝酸盐，硝酸盐可以直接被植物作为营养吸收利用。模仿潮汐完成的水分水循环过滤系统，实现养鱼不换水而无水质忧患、种菜不施肥而正常成长的生态共生效应[5]。
2.1.5断电保护系统
装置内设有断电保护系统。当所连接家用电源断电时，系统智能识别，向用户端发出警告，同时系统自动切换到装置内部蓄电池供电模式，维持供氧系统正常工作，持续为鱼类供氧;待家用电源恢复供电，系统自动重新切换为家用电源供电模式，并为蓄电池充电;蓄电池充满电时，系统自动判断后切断为蓄电池充电动作。
2.1.6远程控制系统
装置使用C语言配合机智云实现手机端APP设计。在机智云平台[6]建立一个新项目，通过MCU链接鱼菜共生装置所用WIFI信号，烧入固件，配置网络信息，编码程序生成一个APP，在APP中添加相应的设备完成手机APP的设计制作。同时，应用物联网技术，把鱼菜共生装置端数据传输给ESP8266-12F网络模块，通过手机端呈现给用户。
以人工智能、自动控制等现代化技术手段为依托，构建基于光、温、水、质的检测与调控系统，创建一个初等小型生态系统。系统通过各系统统一协调，各单元独立执行系统动作，实现水循环、光补充等环节自发适应调控，使动植物达到科学的协同共生。
2.2智能鱼菜共生装置结构与设计
2.2.1工作原理
单片机定时控制喂食装置的步进电机旋转给鱼定时、定量投放食料，鱼儿产生的粪便及水中的营养物质以水作为载体被水泵通过送水管输送到植物种植槽中，经种植槽中的陶粒、植物根系和海绵泡沫过滤后流回鱼缸，水中的营养物质由生长在种植槽中的微生物分解后被植物吸收。当光敏传感器检测到植物生长环境中的光照强度不足时，灯架上的补光灯自动开启，为植物补充光照，从而缩短植物的生长周期;同时，灯架上的测距传感器实时检测植物与补光灯的距离，通过单片机控制电机带动丝杆旋转调整补光灯与植株的距离，使补充的光得到最有效利用。
通过对智能鱼菜共生装置的研究，团队研制了一款实物样机，如图2～图5所示。
2.2.2灯架结构设计
灯架主要由电机、滚珠丝杆、伸缩杆、支撑架组成，支撑架上固定有光敏电阻、超声波传感器和LED灯。当支架上的超声波传感器检测到植物与灯架的距离小于设定值时，电机正转带动滚珠丝杆转动从而伸缩杆伸长支撑架上移到目标距离。
2.2.3自动喂食装置设计
自动喂食装置主要由步进电机、螺旋送食导杆和储食槽组成。工作时，步进电机通过旋转带动螺旋送食导杆转动从而将储食槽中的饲料运送到出料口投喂到鱼缸中，通过控制步进电机转动的圈数来控制投喂饲料的多少。
2.3控制系统设计
软件设计部分以ArduinoUNO主控板为核心，主要包括系统初始化、时钟时序及端口控制等，从而实现由步进电机利用单片机对外围电路的自动控制。系统通过光敏传感器LM393检测光照强度，与设定的参考值进行比较，控制LED灯开关适时启动与关闭。利用超声波测距传感器HY-SRF05检测补光灯与植物的距离，单片机通过与设定参考值比对从而控制灯架的上升下降达到最适宜补光距离。用水温传感器PT100实时向单片机反馈水温信号，单片机根据反馈的水温信号在实时调整加热器的加热温度，从而构成一个闭环控制系统，将水温准确控制在鱼生长的最适温度。利用水位传感器XK35-3实现对水位的监测[10-11]，水位低于设定值时系统向用户发送水位报警提示。系统通过时钟程序，控制喂食机构中步进电机定时旋转设定圈数，从而实现定时定量喂食。通过C语言配合机智云实现了手机端远程监控，在机智云平台建立一个新项目，让MCU连接鱼菜共生装置所用的WIFI信号，烧入固件，配置网络信息，编码程序生成一个APP。在APP中添加相应的设备完成手机APP的设计制作，应用物联网技术，将鱼菜共生装置端数据传输给ESP8266-12F网络模块[12]，通过手机端呈现给用户。控制系统工作原理如图6所示。
3绿植栽培试验
3.1试验材料
绿植栽培通过陶粒固定根系，以鱼饲料残渣及鱼粪为肥料，植物整个生命周期[13]无需施肥，可有效避免土壤育苗带来的土传病害和虫害，便于科学、规范管理。试验绿植选取豌豆，豌豆种植时间短、易存活。水培对照组营养液根据改良霍格兰配方自制配得，土培对照组土壤为普通花土。
3.2试验设计
试验于2019年10月10日在重庆文理学院智能农业装备与机器人实验室内进行。种子统一采用水培方式发芽后，将其移植至各处理组;移植后隔天采集一次空气温湿度、CO2浓度等环境参数，如表1所示。试验分为传统土培、普通水培和鱼菜共生装置栽培3组，栽植周期为9天。植株不同时期生长情况如图7所示。栽植结束后，每种培养方式各取10株豌豆苗为测量对象，进行指标测定。
3.3测定项目和分析方法
对每组植株分别进行1～10标号，计算每株植株高度、茎长、根长及干鲜重。通过测定上述指标对比植株形态差异[14]。
3.4结果与分析
不同养植方式对植株形态指标的影响程度不同。从表2～表4中可看出:智能鱼菜共生装置养植的植株根长、茎长、茎粗等显著高于传统土培和普通水培，植株长势明显优于传统土培和普通水培。试验期间，土培需要定时定量的人工给水，而智能鱼菜共生装置无需人工过多管理，省去许多人力和时间。种植期间，土培绿植出现了叶片发黄现象，采用人工对其施肥补救使得后期绿植正常生长。
普通水培由于保温效果差、光照供给达不到植株的理想生存条件、水中营养物质不足等问题使植株生长缓慢、细弱;智能鱼菜共生装置能够保持水恒温、营养物质充足、自动补光使得植株长势均匀、养植过程简单方便等更适宜植物生长。
4结论
1)智能鱼菜共生装置在正常室内环境下的运行，能够实现绿植生长环境光照强度、水温的自适应调控，缩短了植物生长周期。
2)装置的潮汐式水循环系统能够同时满足鱼类和植物的生长要求;鱼菜共生装置可有效节约人们打理植物的时间;水循环过滤系统可减少水资源的浪费，绿色环保。
3)装置的自动喂食装置能够按需对鱼类进行投喂，减少养殖鱼类的操作步骤，缩短鱼类生长周期。
4)鱼菜共生装置能够实现断电保护。当电源停止供电时，系统智能识别并向用户端发出警告，同时系统自动切换到装置内部蓄电池供电。
5)通过手机APP能够实现对装置的远程操控，当装置出现故障时能够及时发馈并通过手机端进行远程控制。