一種魚植共生系統和數據監控預測系統的設計

闕嘉華 陳瀚鑄 陸顯杭 王鼎新

（西南大學，重慶 402460）

1 魚植共生系統

魚植共生系統由養殖池、魚糞分離池、過濾器系統、植物種植區組成。

1.1 養殖池

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

1.2 魚糞分離池

3 個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300 cm，分離池采用多級過濾設計，第一層布置50 cm 寬150 cm 長的毛刷，再加10 cm 寬的生化過濾棉，第2 層填充50 cm 寬150 cm 長的珊瑚石，外加10 cm 寬的生化棉，第3 層填充50 cm 寬150 cm 長的細沙，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 長的區域放置一個300 W 的吸污泵，用來將水抽入過濾器系統。

1.3 過濾器系統

魚糞分離池中的水被抽入過濾器系統，在進入過濾器前可以通過閥門控制水流量，過濾器分為10 個出水口，環形分布在過濾器上，10 個出水口每個出水口綁好過濾袋。經過濾袋出水后，水從中央管進入下層。過濾器由上下2個倉組成，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入下層，下層管直接平接底部。底部側邊均勻開口。底部硝化倉裝滿直徑4 cm 的硝化球，供細菌定植。水自底部蔓延向上，從硝化倉頂部出水進入種植區。

1.4 植物種植區

水自硝化區進入種植區。種植區結構為雙層結構，底部為回水設計，放置火山石為系統補充微量元素。上層為浮性陶粒，植物在此種植。該區域通過電控風閥控制水位的升降，避免了爛根的問題。設計的系統為每2 h 升一次，維持30 min。循環次數和周期需要根據系統的硝化效率和能量轉換效率進行調整。每一次系統的降水都會將水排入3 個養殖池。設計的種植區面積為20 ㎡。

2 數據采集系統

2.1 主控板

該系統的各項環境數據主要通過傳感器進行采集。由于Arduino 可以接收多種傳感器的輸入信號[2]，系統選用的主控板為DFRduino UNO R3，DFRduino UNO R3 是一塊基與開放原始代碼的Simple I/O 平臺，且其完全兼容Arduino UNO R3，在主控板的基礎上，增加了I/O 傳感器擴展板V7.1，大大增強了主控板的擴展能力、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行連接，并基于Arduino IDE 編寫程序代碼，使系統能自動讀取數據，然后通過ESP8266 無線模塊上傳各種數據。

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 值為電導率值的一半。電導率是衡量水中無機鹽養分的直接指標，但電導率傳感器價格昂貴，因此，該系統采集TDS 值，以間接反映魚植系統中水里的養分含量。

2.2.2 水溫傳感器

該系統采用的是防水DS18B20 溫度傳感器，再接上Plugable Terminal 轉接器，轉換器數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 計是一款專業版模擬pH 計，采用工業在線電極。工業在線pH 復合電極采用低阻抗敏感玻璃膜制成，能在各種條件下進行pH 值測量，具有回應快、熱穩定性好的特點，有良好的再現性，不易水解，基本消除了堿誤差，在0 ～14pH 范圍內呈線性電位值，Ag/AgCl 與凝膠電解質鹽橋組成的參比系統具有穩定的半電池電位和優良的抗污染性能，環行聚四氟乙烯隔膜不易阻塞，可長期在線檢測。

3 數據監控系統

數據監控系統分為服務器端和移動端，服務器端基于Express 和MongoDB，采用HTTPS 和MQTT 雙協議，使用Nginx反向代理。node.js 常用于處理高并發場景，MongoDB 以其優越的性能廣泛應用于大數據場景，二者結合為實現魚植共生物聯網系統提供堅實基礎[3]。由于云服務器的存在，用戶可以隨時隨地對系統監控。

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

圖1 App 界面

圖2 數據展示界面

3.1 登陸注冊

用戶可以通過App 程序進行注冊登錄，然后獲取對應的服務與數據。

3.2 數據查詢

用戶可以通過App 程序獲取服務器上的歷史測試數據，可分類查詢并下載。

3.3 實時數據監測

App 程序通過WXS 協議與服務器建立WebSocket 通信，搭建MQTT 服務器，用戶能通過移動端App 實時獲取傳感器數據，實現數據實時采集和展示。

3.4 系統預警

用戶能根據科學及自身經驗對多種參數的閾值進行設置，當系統監測到的實時傳感器數據中的該參數值超過或者偏離用戶設置的閾值時，系統會自動發出預警，通過移動端App 及時提醒用戶注意系統的參數變化。

3.5 魚植共生基質培計算模型

Wilson Lennard 博士提出的基質培計算模型是目前比較可行的一種方法和模型，可以指導任何一個愛好者或家庭級魚植系統用戶或設計者去設計和計算系統尺寸。這個模型以及其產生的輸出值是基于被廣泛接受和公認的、與魚植系統設計直接相關的科學和工程學原則。

該模型是一個基于多個重要輸入值計算得出基質床面積的工具。另外，這個模型也提供了幾個其他輸出值，見表1。基本上這個模型會為用戶計算出基質床的表面積，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 基質培計算模型參數說明