水質動態辨識監測與藥劑智能配制排放系統的研發應用

＊侯凌玉 胡世雄 劉一鳴

（1.河南理工大學 河南 454003 2.黃河交通學院 河南 454950）

引言

當前，針對在密閉水域進行的水產養殖，盡管養殖者也采取了許多水質處理措施，但是由于生物資源量大，密度高和飼料多等原因，水體富營養化仍然經常發生，常常不能保證長期穩定適宜的水質環境。而養殖水體的水質對于水產品的質量有至關重要的作用，低質量的水產品以及缺乏安全保障等問題嚴重制約中國水產養殖業的快速發展。水質的調節與控制對于生產高效、優質的水產品就顯得尤為重要。此外，城市水文景觀以人工湖為例，其生態自凈能力脆弱，一旦受到污染物的沖擊，水質會迅速惡化，景觀效果大為降低，甚至成為臭水匯集之地。若通過換水的方式來改善已污染的水質狀況，既不經濟又不利于可持續發展，是對水資源的一種浪費。用裝置進行實時動態監測水質，在水質惡化初期及時反饋并投放相應藥物，從而扼制水質惡化趨勢，這種人工智能結合物理、化學法去治理人工湖，并緩解水體質量的惡化程度，不失為一種較可行的方案。

1.水產養殖及城市水文景觀存在的問題

(1)水產養殖存在的問題

①水產養殖環境存在污染

水產養殖環境主要會受到三方面的影響：農業生產、工業生產和居民生活用水。農業生產中使用的農藥、化學肥料等通過污染地表水和地下水，間接影響水產養殖水質。地表水和地下水的污染對其影響嚴重時，不但會導致水產品大面積死亡，影響經濟效益；毒素還會在水產品體內積累，而人食用受污染的水產品，就會引發健康問題。工業生產產生的工業廢水中含有大量的重金屬，不加處理后的排放會導致水體發生嚴重污染，破壞水產品的水生態系統。居民生活廢水中所含有的清潔劑、油脂等，也會引起水質污染。

②水產養殖模式不合理

當前不少養殖戶不當的養殖方式、管理模式，還達不到國家環保要求。水產養殖模式不合理主要體現在以下三個方面。一是以減少租金成本，獲取更多利潤為目的的高密度養殖，加大了水體負荷，提高了病害發生幾率；二是養殖品種搭配不合理導致的飼料過度投放，多余的飼料會發生沉積且分解出有害物質，水質變肥變差；三是長期單一品種養殖導致的水體中菌類、藻類失衡以及細菌、病毒逐漸適應水體的不利現象。這些問題都會最終影響水產養殖環境，使得水產品質量安全難以得到保障。

③漁藥殘留問題

部分水產養殖戶缺少專業培訓，往往會通過過量使用殺蟲劑或抗生素治療水產疾病，卻在不經意間誘發水體細菌的耐藥性，使得藥物療效下降，水產品的質量安全受到影響。同時使用過量的漁用藥物也會在水產品體內發生殘留，導致水產品體內藥物殘留量過高，對食用者的健康造成影響。

(2)以人工湖為例的城市水文景觀存在的水質問題

城市內人工湖與大江、大河相比，它的匯水面積小，水量小，自凈能力弱，而且水體水質與湖庫駁岸的生態性要求高，與四周環境緊密聯系，受到污染的風險大，富營養化風險極高。

隨著人類對水資源開發利用程度不斷增強以及水環境污染的增加，水體富營養化存在著潛在的發展趨勢。一旦水體發生富營養化，其治理極其棘手，不僅要花費大量的人力、物力，更重要的是造成寶貴的水資源的大量浪費，使區域資源的永續利用，經濟社會的可持續發展受到嚴重制約。人工湖水質問題有反復出現的現象，一次的治理不能永久地改善湖內水環境問題，降水形成地表徑流，不可避免地造成地表污染物的流入。另外，人為因素也是不可避免的現象。水體一旦污染導致人工湖內動植物被污染，使本就脆弱的人工湖的生態系統進一步惡化，對人工湖內水生態造成不可逆的影響。

隨著科學技術的發展和經驗的積累，上述水產養殖及城市水文景觀存在的諸多問題，可以結合人工智能及自動控制技術，通過研發應用水質動態檢測監測與化學制劑自動配制排放系統加以解決。

2.水質動態辨識監測與藥劑智能配制排放系統的設計研發

(1)研發目的

該系統的研發，目的是服務于密閉水域水產養殖和城市水文景觀建設的水質監測及智能改善，由水質動態辨識監測系統和藥劑智能配制與排放系統等組成，期間應用stm32單片機控制，最終實現以下三項功能：實時水質監測、藥物智能配置和遠端智能操控。

系統通過監測特定的水質指標（如DO、pH、水溫，導電率/TDS等）反映出水體水質是否符合用戶需求。這些被監測的數據會傳遞到用戶手機App中，接受到數據的App不僅會將信息傳達給客戶，也會根據實際水質指標數據與用戶需求水質的差距，分析出需要投放的藥物原料用量及配比，然后利用stm32單片機遠程控制裝置的各個部件，再通過藥物智能配置系統，將提前在原料桶中放好的原料（如鹵素類，重金屬鹽類，微生物類等）按照所需比例要求混合配置和投放，使整個裝置成為一個可以實現遠端智能操控的完整裝置，并且實現水質的持續改善。

最終通過整個系統的構建，在養殖場的進水階段便安放此系統，就可以在進水口進行直接藥物投放，從而提供適宜的水體，提高水產品的生存幾率，加快水產品的生長速度，從而達到提高經濟效益的目的；在水文城市景觀，實時監測水質，實現水質問題“早發現，早治療”，提供更舒適的居住環境，促進“人水和諧”，從而減輕在水文景觀整修保持方面的經濟負擔。

(2)水質改善裝置的結構組成

水質動態辨識監測與藥劑智能配制排放系統的功能實現，主要依靠水質改善裝置，如圖1所示，該圖為該裝置內部結構的三視圖，有正視圖、側視圖和俯視圖三張圖構成。裝置也主要由三部分組成：藥劑投放裝置、水質動態監測裝置以及智能化遠程控制裝置。

圖1 水質改善裝置三視圖

①藥劑投放裝置

藥劑投放裝置的目的是實現藥劑與水的配比混合，由進水管道和注水裝置原料桶組成。該裝置部分外接一個軟性皮套管，使得運輸不同材料的運輸管可以與設備相連接。裝置運作時進水管道進水，原料桶釋放藥劑，二者同時排放到各自出口前端連接的公共管道（公共管道中嵌套的小型管道）內部進行混合和儲存，最終通過小型管道上面的孔洞來實現藥劑的排放。

②水質動態監測裝置

水質動態監測裝置直接利用市面上現有的水質監測儀器經過連接進入整個系統，同時配合數據傳輸設備形成一個可視化的水質監測系統。用戶可以根據不同的經濟預算，水質指標需求重點，選取更貼合自身需求的監測裝置，使系統更加靈活地適配不同的客戶需求。通過水質監測儀監測的水中溫度、pH、導電率/TDS、溶解氧濃度與飽和度等數據，傳輸進手機App中，達到數據及時可視，動態監測；再根據App系統智能處理數據，提供改善方案，即藥物投放比例建議。

③智能化遠程控制裝置

智能化遠程控制裝置，以stm32單片機作為中央控制系統，通過藍牙模塊與手機App建立其聯系，根據水質監測裝置反饋的數據，通過一系列算法，推算出所需藥劑原料的用量，通過stm32單片機智能控制水泵的開關，使原料與水體按照預定的比例進行混合配置，并通過stm32單片機控制裝置出水口的開關，使配置好的原料水均勻地排放到水池中，從而遠程實現一鍵配置原料及排放功能。

3.藥劑投放裝置原料桶存放藥劑類型

原料桶存放內容種類多樣化，可存放用于水產養殖病害治療的藥劑，也可存放用于水質凈化的物質。根據水產養殖及人工湖的特點，一般投放預存的藥劑類型有以下四類：鹵素類、重金屬鹽類、磺胺類和微生物類。

鹵素類包括用于治療細菌性魚病的漂白粉（含氯石灰），利用其滲透作用殺滅體外寄生原生動物及微生物的食鹽（氯化鈉），以及具有強大的殺病原體作用的碘；重金屬鹽類包括多用于治療魚蝦類疾病，防治寄生性鰓病和皮膚病的硫酸銅（藍礬、石膽），預防雙穴吸蟲病和血居吸蟲病等的氯化銅（二氯化銅），以及用以防治水霉病及治療創傷的重鉻酸鉀；磺胺類包括用以治療魚類的腸炎病、赤皮病和豎鱗病的磺胺嘧啶；微生物類包括光合成細菌，酵母——單細胞蛋白和微生物性飼料添加劑等。

將所需藥劑提前放入原料桶中，在水質出現變化時，基于不同水質要求的水體藥劑智能選擇與添加的自控系統，可以達到及時進行不同水質條件下的藥劑自動選擇、定量添加與長期動態調節，從而促進不同水體水質要求的長期穩定性，對可能出現的養殖病害及時預防和定量治療，一定程度上減小了人工壓力，養殖戶無需根據經驗或直覺隨意用藥，提高了養殖過程的科學性。

4.結論

水質動態辨識監測與藥劑智能配制排放系統基于不同用途水質要求的不同離子動態監測與數據分析系統，實現了不同水體離子自動辨識監測與分析，促進了不同水質多樣性動態辨識分析，為水質智能恢復提供了依據；基于不同水質要求的水體藥劑智能選擇與添加的自控系統，實現了不同水質條件下的藥劑自動選擇、定量添加與長期動態調節，促進了不同水體水質要求的長期穩定性；本研究將水體動態辨識監測裝置與智能選控恢復裝置通過智能控制集于一體，實現了不同水體水質辨識監測與智能選控的動態耦合；通過智能優選控制水生態調節與飼養調節等多功能一身，實現了系統應用的便捷、省時、高效，大大降低水產養殖的門檻，便捷一鍵式地控制城市中多個人工湖中菌劑的排放，進而控制多個湖泊的水生態調節。