一種智能化水族箱設計

孫思文 邢佳銘

摘? 要：該課題研究了一種智能水族箱，可及時收集并去除水族箱中觀賞魚的排泄物，并通過單片機控制實現自動投餌、水質檢測、增氧控溫等功能，通過水質管理的信息交互，提升觀賞魚飼養的操作體驗，降低飼主飼養觀賞魚的精力投入。應用無人機傾斜攝影立體成像技術，使用無人機作為飛行平臺采集松花江陽明灘大橋的多視影像數據，構建景點三維模型數據，并通過3D打印技術制造出景點的實物模型作為水族箱主景觀。

關鍵詞：智能化;水族箱;定制化景觀

Abstract：This subject studies an intelligent aquarium that can collect and remove feces of ornamental fish in the aquarium in a timely manner，and implement functions such as automatic bait feeding，water quality detection，and oxygen and temperature control through single-chip control. Through the information exchange of water quality management，the operation experience of ornamental fish feeding was improved，and the energy input of feeding ornamental fish was reduced. Using UAV tilt photography stereo imaging technology，using UAV as flight platform to collect the multi-view image data of Songhua River Yangmingtan bridge，construct the 3D model data of scenic spot，and make the physical model of scenic spot as the main landscape of aquarium through 3D printing technology.

Keywords：intelligent;aquarium;customized landscape

0? 引? 言

我國自古便有飼養觀賞魚的習慣，飼養觀賞魚一直被視為吉祥的象征。據了解，全世界現有3億多個水族箱，約2億家庭有飼養習慣。目前世界觀賞漁業正以每年10%的速度增長，英國有14%的家庭、美國有15%的家庭、日本有16%的家庭將觀賞魚作為寵物在飼養，美國有12 000萬戶家庭擁有水族箱，占全美家庭總數的15%。我國以觀賞魚為龍頭的水族產業發展雖是近十來年的事，規模也還不大，但其蘊含了巨大的發展潛力[1]。在觀賞魚的日常飼養中，水質管理是一個非常重要的環節。通過調查，我們知道消費者養不易飼養觀賞魚的主要原因是水族箱水質管理不當，導致水體惡化、魚類不適應水環境，進而導致觀賞魚感染疾病或死亡[2]。同時，對于水族箱景觀方面，傳統的水族箱造景多采用現成的枯木、石材等作為景觀的主體，為探索新的景觀制作方法，體現養魚者的興趣個性，本研究結合傾斜攝影技術與3D打印技術制造定制化的水族箱景觀。

1? 研究現狀

本課題對傳統水族箱進行改良，因此，筆者以問卷形式對觀賞魚養殖用戶進行了市場調查，發現傳統的養殖模式存在以下問題。通過數據統計發現，傳統水族箱飼養方式存在著三大弊端，被用戶詬病。

（1）主人因工長期外出，導致水族箱中的水無法得到及時更換;

（2）觀賞魚飼養知識匱乏，魚易得病，生病后沒有良好解決辦法;

（3）頻繁換水、每日要抽吸觀賞魚排泄物，工作煩瑣，難以每日堅持。

歸結上述問題，內在原因是水中各種微生物的數量變化導致水體質量惡化，進而導致觀賞魚生病，頻繁的死亡最終使得用戶對觀賞魚的養殖興趣消耗殆盡，放棄飼養。本課題設計出了一臺具有去除排泄物、自動投餌、水質監測、增氧控溫、遠程觀賞等功能的水族箱，進而減少人為操作的步驟，增加觀賞魚的飼養樂趣。

2? 總體設計方案

筆者基于單片機控制技術及傾斜攝影技術對智能水族箱進行了研究，本課題智能水族箱的研究分為水質控制部分以及水族箱造景部分。該水族箱的水質通過物理過濾裝置和單片機+物聯網控制，實現快速濾除水中糞便的功能，并實現自動控制投餌，水質、溫度監測，遠程視頻欣賞、監控等功能，實現水族箱的自動化管理;水族箱造景使用無人機傾斜攝影測繪技術，實現對偏好景觀的掃描測繪，并通過3D打印機制造水族箱主景觀，智能水族箱的總體設計方案如圖1所示。

2.1? 水質控制系統設計

水質控制系統包括水族箱體、間歇式糞便濾除裝置;水族箱體的內下側固定安裝有糞便收集裝置，所述糞便收集裝置包括殼體、支撐網、砂石體，殼體上分別固定安裝有數排漏斗體，每排漏斗體均通過水管連接，且每排水管之間不連接，每排水管都通過分水器或電磁閥單獨與抽水泵相連形成水路，殼體的上端安裝有支撐網，支撐網的上側設置有砂石體。通過糞便收集裝置使沉底的糞便，在水泵、抽水管、漏斗型導流和石縫通道形成的水流的帶動下運動到糞便濾除裝置。間歇式糞便濾除裝置通過間歇式的抽吸和傳送帶的運送使得糞便分離，減少了魚糞便在水流下的沖激溶解;單獨設置的糞便收集容器實現了糞便和水族箱水體的徹底分離。

間歇式糞便濾除裝置固定安裝在水族箱體的內上側，所述間歇式糞便濾除裝置包括過濾系統、糞便收集槽、間歇過濾傳送帶機構;過濾系統的右側固定安裝有糞便收集槽，間歇過濾傳送帶機構分別設置在過濾系統與糞便收集槽的上側，控制裝置固定安裝在水族箱體的外側壁上，控制裝置分別與抽水、間歇過濾傳送帶機構通過電路連接。如圖2所示硬件結構圖：1——水族箱體;2——殼體;2-1——漏斗體;3——支撐網;4——砂石體;5——水管;6——抽水泵;7——過濾系統;8——糞便收集槽;9——間歇過濾傳送帶機構，10——濾槽電機。

2.1.1? 間歇式糞便濾除裝置工作原理

在過濾槽的上方，設置由紗網制作的，兩端帶有傳送裝置的過濾傳送帶，在傳送帶的一端設置糞便收集水槽。魚的糞便在水流的帶動下，首先經過下方的支撐網、漏斗等裝置，經過抽吸，通過連通的管道到達上方的過濾紗網，傳送帶式的紗網上面已經吸附了糞便。此時停止水泵工作，啟動沙網的傳送裝置;糞便在沙網的帶動下，運行到下方時。經收集水槽內水的浸泡，沖落在收集水槽內，完成一個工作循環，紗網停止運動，水泵啟動工作，如此往復;每個工作循環控制在20秒，至魚基本排泄完。其作用是把魚的糞便及時清除到糞便收集槽內，實現與水體的完全分離。這樣魚的糞便從排泄到實現分離可在30秒內完成，減少了糞便在水體中的溶解。

2.1.2? 智能控制系統

隨著傳感器技術的發展，各種環境參數信息的采集已經可以便捷地實現。本系統結合成熟的計算機信息處理技術，實現水質參數的數據采集和實時監測。用戶可以通過遠程監控相關設備的工作，了解水族箱的狀態。通過Wi-Fi和單片機搭建多種傳感器和攝像頭的信息傳輸通道，實現遠程控制和視頻查看，圍繞單片機搭建控制系統，主要硬件有單片機、溫度傳感器、pH酸堿度傳感器、氨濃度傳感器、亞硝酸鹽濃度傳感器、氧濃度傳感器;氣泵、水泵、加熱器;投餌裝置及同步電機控制的過濾棉網傳送過濾帶，自動控制系統和物聯控制系統。控制裝置包括微控制器、兩路繼電器、在線編程接口、A/D轉換接口、接口擴展模塊、異步串口、I2C接口;單片機分別與兩路繼電器、在線編程接口、接口擴展模塊、傳送帶電機電連接，兩路繼電器分別與抽水泵電機、濾槽電機連接，接口擴展模塊分別與異步串口、A/D轉換接口、I2C接口電連接[3]，濾槽電機安裝在8——糞便收集槽的側壁上。通過單片機的時鐘控制水泵和紗網的協調間歇工作，并且可以與各種傳感器連接，通過編程，實現物聯網感知和自動控制，如圖3所示控制裝置電路框圖。

2.2? 水族箱景觀設計

斜視攝像測量技術是一種基于傳統攝像測量技術發展起來的新技術。它利用同一飛行平臺上承載的多臺影像采集設備，同時從垂直、側向和前后等角度進行圖像采集，能夠比較完整的獲取地面建筑物的表面紋理信息。再結合現有的、具有一致性并進行處理能力的斜視攝像數據處理軟件，可實現大范圍的快速構建城市三維建設模型，很大程度上提高了三維模型的構建效率[4]。

2.2.1? 水族箱景觀數據采集

在從實驗區收集數據之前，筆者對傾斜攝影任務做了詳細規劃。其中規劃的內容應包含：選擇合理的地域作為飛行區，綜合布置傾斜攝影多個控制點，制定飛行軌跡方案。本課題選取松花江作為采集點，百度衛星地圖影像圖，如圖4所示。在做好飛行區規劃、飛行軌跡設計、多個控制點布局后，選擇晴朗的天氣，利用無人機進行數據采集。

2.2.2? 三維模型建立

空中傾斜攝影三角測量數據處理完成后，檢查掃描數據質量。在確認掃描精度無誤后，開始對點云數據進行封裝。點云封裝包括攝像機自校正計算、光束法局域網平差和多個空中三角測量。在點云數據封裝之前，我們應核對以下幾點：

（1）圖像質量與生成的點數成正比，圖像越清晰，點云數據包含的坐標越多，相應的運算時間越長;

（2）細節處理方面，我們可以根據被采集圖像表面的曲率差異分批進行圖像數據處理，相應的曲率高的掃描表面對應的點云數據會更多，曲率平緩的表面點云數據會相對更精簡;

（3）為獲取精度更高的三維數據，通常需要三張以上照片作為匹配。

但是由于攝影機角度或被測物體遮擋等原因，被動的只能選擇兩張照片作為匹配點時，這時便需要通過后期的點云處理軟件進行數據修復，從而獲得更高質量的點云數據，經過數據處理后的三維模型如圖5所示。

2.2.3? 水族箱主景觀制造

使用傾斜攝影及三維建模后的數據，應用光敏樹脂3D打印技術制作水族箱主景，光敏樹脂即為紫外樹脂，由聚合物單體與預聚體組成，其中加有光敏（紫外光）引發劑或稱為光敏劑，在一定波長的紫外光照射下立即引發聚合反應，完成固定，光敏樹脂一般為液態，用于制作高強度、耐高溫、防水等用途的材料[5]。水族箱主景觀制造步驟如下。

（1）在計算機上使用計算機輔助設計軟件，將傾斜攝影系統結構的三維模型轉換成STL格式文件，把三維實體模型進行網格計劃劃分，準備進行分層處理;

（2）在相應的3D打印機軟件中對零件CAD模型進行切割處理，使三維CAD模型變為一系列二維的平面圖形狀。對應每一個平面圖形狀，計算機生成相應的掃描軌道痕跡;

（3）光固化成型開始，根據CAD模型對樹脂采取一層層疊加固化的形式進行零件打印，通過數字信號控制一定波長的光選擇性輻照液態光敏樹脂的表層，使其發生光交聯，再通過逐層固化堆積成型實物模型;

（4）打印完成后通過高壓水槍清除打印樣件外表面的支撐材料，并對樣件表面進行拋光、噴漆上色等后處理。

3? 結? 論

根據調研所發現的現有水族箱的問題，本課題以快速分離魚所產生的糞便，減少水體中有機物的溶解、留存為主要目的，輔以水質檢測、水溫控制、氧含量控制、自動投餌、遠程操作等為系統目標，設計出包含水質控制系統和個性化造景的智能水族箱。從根本上解決通過換水等煩瑣步驟保障水質的問題，減少飼養觀賞魚的工作量;同時通過傾斜攝影測繪技術，可對用戶偏好的景觀及建筑數據進行采集，并通過3D打印技術，實現了定制化水族箱主景觀的目的。該系統可以使用戶在智能化技術的協助下更好的體驗飼養觀賞魚的樂趣。

參考文獻：

[1] 王德芬.讓“水族”進入千家萬戶——我國水族產業發展有關問題的思考 [J].中國水產，2010（4）：5-10.

[2] 李光友.淺析影響養殖魚類水體的生態因素 [J].黑龍江水產，2014（3）：10-12.

[3] 吳秦峰，王蓓，張昊，曾叢.智能水族箱控制系統的設計 [J].信息通信，2018（11）：118-119.

[4] 楊國東，王民水.傾斜攝影測量技術應用及展望 [J].測繪與空間地理信息，2016，39（1）：13-15+18.

[5] 徐鋒.三維打印技術研究 [J].機械制造與自動化，2015，44（1）：98-101.

作者簡介：孫思文（1987.07—），男，漢族，遼寧興城人，工程師，研究生，研究方向：智能產品設計。