一種魚植共生系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)控預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

闕嘉華 陳瀚鑄 陸顯杭 王鼎新

（西南大學(xué)，重慶 402460）

1 魚植共生系統(tǒng)

魚植共生系統(tǒng)由養(yǎng)殖池、魚糞分離池、過濾器系統(tǒng)、植物種植區(qū)組成。

1.1 養(yǎng)殖池

該養(yǎng)殖池由3 個(gè)并行排列的圓柱形魚池組成，每個(gè)池高1.5 m 半徑1 m，滿載水體體積為4.71 m3。每個(gè)養(yǎng)殖池上方對(duì)角有2 個(gè)出水口，同時(shí)在水面反向出水，在水池形成旋流帶動(dòng)污物進(jìn)入養(yǎng)殖池中央，中央有一個(gè)雙層套管，外部套管下端有排列整齊的條狀開口，上端有鐵紗網(wǎng)，外部套管高1.2 m，內(nèi)部套管上端開口套于外部套管內(nèi)部，高1.0 m，外部套管半徑0.1 m，內(nèi)部套管半徑0.6 m。污物被旋流帶入套管中的內(nèi)管中，并流入魚糞分離池。

1.2 魚糞分離池

3 個(gè)圓柱形魚池中的水集中匯入半徑20 cm 的主干管道中，主干管道匯入魚糞分離池，池深200 cm 寬150 cm 長(zhǎng)300 cm，分離池采用多級(jí)過濾設(shè)計(jì)，第一層布置50 cm 寬150 cm 長(zhǎng)的毛刷，再加10 cm 寬的生化過濾棉，第2 層填充50 cm 寬150 cm 長(zhǎng)的珊瑚石，外加10 cm 寬的生化棉，第3 層填充50 cm 寬150 cm 長(zhǎng)的細(xì)沙，再布置50 cm 寬的過濾棉，并用10 cm 厚的水泥墻橫封防止傾倒，矩形水泥墻下端距離底部30 cm，上端距離分離池上端40 cm。剩余70 cm 寬150 cm 長(zhǎng)的區(qū)域放置一個(gè)300 W 的吸污泵，用來將水抽入過濾器系統(tǒng)。

1.3 過濾器系統(tǒng)

魚糞分離池中的水被抽入過濾器系統(tǒng)，在進(jìn)入過濾器前可以通過閥門控制水流量，過濾器分為10 個(gè)出水口，環(huán)形分布在過濾器上，10 個(gè)出水口每個(gè)出水口綁好過濾袋。經(jīng)過濾袋出水后，水從中央管進(jìn)入下層。過濾器由上下2個(gè)倉組成，中間密封，由一中央水管相連，上層倉放置過濾袋，水從過濾袋出來后進(jìn)入下層，下層管直接平接底部。底部側(cè)邊均勻開口。底部硝化倉裝滿直徑4 cm 的硝化球，供細(xì)菌定植。水自底部蔓延向上，從硝化倉頂部出水進(jìn)入種植區(qū)。

1.4 植物種植區(qū)

水自硝化區(qū)進(jìn)入種植區(qū)。種植區(qū)結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)，底部為回水設(shè)計(jì)，放置火山石為系統(tǒng)補(bǔ)充微量元素。上層為浮性陶粒，植物在此種植。該區(qū)域通過電控風(fēng)閥控制水位的升降，避免了爛根的問題。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為每2 h 升一次，維持30 min。循環(huán)次數(shù)和周期需要根據(jù)系統(tǒng)的硝化效率和能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行調(diào)整。每一次系統(tǒng)的降水都會(huì)將水排入3 個(gè)養(yǎng)殖池。設(shè)計(jì)的種植區(qū)面積為20 ㎡。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 主控板

該系統(tǒng)的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)主要通過傳感器進(jìn)行采集。由于Arduino 可以接收多種傳感器的輸入信號(hào)[2]，系統(tǒng)選用的主控板為DFRduino UNO R3，DFRduino UNO R3 是一塊基與開放原始代碼的Simple I/O 平臺(tái)，且其完全兼容Arduino UNO R3，在主控板的基礎(chǔ)上，增加了I/O 傳感器擴(kuò)展板V7.1，大大增強(qiáng)了主控板的擴(kuò)展能力、兼容性和易用性。

將DFRduino UNO R3 與pH 傳感器、TDS 傳感器及水溫傳感器等傳感器模塊進(jìn)行連接，并基于Arduino IDE 編寫程序代碼，使系統(tǒng)能自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)，然后通過ESP8266 無線模塊上傳各種數(shù)據(jù)。

2.2 傳感器

2.2.1 TDS傳感器

溶解總固體（TDS，Total Dissolved Solids），用于表示1 L水中溶有多少毫克的溶解性固體。通常情況下，TDS 值為電導(dǎo)率值的一半。電導(dǎo)率是衡量水中無機(jī)鹽養(yǎng)分的直接指標(biāo)，但電導(dǎo)率傳感器價(jià)格昂貴，因此，該系統(tǒng)采集TDS 值，以間接反映魚植系統(tǒng)中水里的養(yǎng)分含量。

2.2.2 水溫傳感器

該系統(tǒng)采用的是防水DS18B20 溫度傳感器，再接上Plugable Terminal 轉(zhuǎn)接器，轉(zhuǎn)換器數(shù)字口增加了上拉電阻，使用跳線帽切換使用，這樣可以直接將防水DS18B20 溫度傳感器連接到主控板上，溫度顯示范圍為-10 ℃～+85 ℃（誤差±0.5 ℃）。

2.2.3 pH傳感器

SEN0169 pH 計(jì)是一款專業(yè)版模擬pH 計(jì)，采用工業(yè)在線電極。工業(yè)在線pH 復(fù)合電極采用低阻抗敏感玻璃膜制成，能在各種條件下進(jìn)行pH 值測(cè)量，具有回應(yīng)快、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，有良好的再現(xiàn)性，不易水解，基本消除了堿誤差，在0 ～14pH 范圍內(nèi)呈線性電位值，Ag/AgCl 與凝膠電解質(zhì)鹽橋組成的參比系統(tǒng)具有穩(wěn)定的半電池電位和優(yōu)良的抗污染性能，環(huán)行聚四氟乙烯隔膜不易阻塞，可長(zhǎng)期在線檢測(cè)。

3 數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)分為服務(wù)器端和移動(dòng)端，服務(wù)器端基于Express 和MongoDB，采用HTTPS 和MQTT 雙協(xié)議，使用Nginx反向代理。node.js 常用于處理高并發(fā)場(chǎng)景，MongoDB 以其優(yōu)越的性能廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)場(chǎng)景，二者結(jié)合為實(shí)現(xiàn)魚植共生物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3]。由于云服務(wù)器的存在，用戶可以隨時(shí)隨地對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控。

移動(dòng)端為App 程序，界面如圖1、圖2 所示，移動(dòng)端兼容性好，擁有出色的用戶體驗(yàn)，其功能模塊如下。

圖1 App 界面

圖2 數(shù)據(jù)展示界面

3.1 登陸注冊(cè)

用戶可以通過App 程序進(jìn)行注冊(cè)登錄，然后獲取對(duì)應(yīng)的服務(wù)與數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)查詢

用戶可以通過App 程序獲取服務(wù)器上的歷史測(cè)試數(shù)據(jù)，可分類查詢并下載。

3.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

App 程序通過WXS 協(xié)議與服務(wù)器建立WebSocket 通信，搭建MQTT 服務(wù)器，用戶能通過移動(dòng)端App 實(shí)時(shí)獲取傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和展示。

3.4 系統(tǒng)預(yù)警

用戶能根據(jù)科學(xué)及自身經(jīng)驗(yàn)對(duì)多種參數(shù)的閾值進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)中的該參數(shù)值超過或者偏離用戶設(shè)置的閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警，通過移動(dòng)端App 及時(shí)提醒用戶注意系統(tǒng)的參數(shù)變化。

3.5 魚植共生基質(zhì)培計(jì)算模型

Wilson Lennard 博士提出的基質(zhì)培計(jì)算模型是目前比較可行的一種方法和模型，可以指導(dǎo)任何一個(gè)愛好者或家庭級(jí)魚植系統(tǒng)用戶或設(shè)計(jì)者去設(shè)計(jì)和計(jì)算系統(tǒng)尺寸。這個(gè)模型以及其產(chǎn)生的輸出值是基于被廣泛接受和公認(rèn)的、與魚植系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接相關(guān)的科學(xué)和工程學(xué)原則。

該模型是一個(gè)基于多個(gè)重要輸入值計(jì)算得出基質(zhì)床面積的工具。另外，這個(gè)模型也提供了幾個(gè)其他輸出值，見表1?；旧线@個(gè)模型會(huì)為用戶計(jì)算出基質(zhì)床的表面積，具體取決于用戶希望它用于硝化、魚糞礦化、種植床，或者是兼具以上所有功能。

表1 基質(zhì)培計(jì)算模型參數(shù)說明