一种鱼植共生系统和数据监控预测系统的设计

阙嘉华 陈瀚铸 陆显杭 王鼎新

（西南大学，重庆 402460）

1 鱼植共生系统

鱼植共生系统由养殖池、鱼粪分离池、过滤器系统、植物种植区组成。

1.1 养殖池

该养殖池由3 个并行排列的圆柱形鱼池组成，每个池高1.5 m 半径1 m，满载水体体积为4.71 m3。每个养殖池上方对角有2 个出水口，同时在水面反向出水，在水池形成旋流带动污物进入养殖池中央，中央有一个双层套管，外部套管下端有排列整齐的条状开口，上端有铁纱网，外部套管高1.2 m，内部套管上端开口套于外部套管内部，高1.0 m，外部套管半径0.1 m，内部套管半径0.6 m。污物被旋流带入套管中的内管中，并流入鱼粪分离池。

1.2 鱼粪分离池

3 个圆柱形鱼池中的水集中汇入半径20 cm 的主干管道中，主干管道汇入鱼粪分离池，池深200 cm 宽150 cm 长300 cm，分离池采用多级过滤设计，第一层布置50 cm 宽150 cm 长的毛刷，再加10 cm 宽的生化过滤棉，第2 层填充50 cm 宽150 cm 长的珊瑚石，外加10 cm 宽的生化棉，第3 层填充50 cm 宽150 cm 长的细沙，再布置50 cm 宽的过滤棉，并用10 cm 厚的水泥墙横封防止倾倒，矩形水泥墙下端距离底部30 cm，上端距离分离池上端40 cm。剩余70 cm 宽150 cm 长的区域放置一个300 W 的吸污泵，用来将水抽入过滤器系统。

1.3 过滤器系统

鱼粪分离池中的水被抽入过滤器系统，在进入过滤器前可以通过阀门控制水流量，过滤器分为10 个出水口，环形分布在过滤器上，10 个出水口每个出水口绑好过滤袋。经过滤袋出水后，水从中央管进入下层。过滤器由上下2个仓组成，中间密封，由一中央水管相连，上层仓放置过滤袋，水从过滤袋出来后进入下层，下层管直接平接底部。底部侧边均匀开口。底部硝化仓装满直径4 cm 的硝化球，供细菌定植。水自底部蔓延向上，从硝化仓顶部出水进入种植区。

1.4 植物种植区

水自硝化区进入种植区。种植区结构为双层结构，底部为回水设计，放置火山石为系统补充微量元素。上层为浮性陶粒，植物在此种植。该区域通过电控风阀控制水位的升降，避免了烂根的问题。设计的系统为每2 h 升一次，维持30 min。循环次数和周期需要根据系统的硝化效率和能量转换效率进行调整。每一次系统的降水都会将水排入3 个养殖池。设计的种植区面积为20 ㎡。

2 数据采集系统

2.1 主控板

该系统的各项环境数据主要通过传感器进行采集。由于Arduino 可以接收多种传感器的输入信号[2]，系统选用的主控板为DFRduino UNO R3，DFRduino UNO R3 是一块基与开放原始代码的Simple I/O 平台，且其完全兼容Arduino UNO R3，在主控板的基础上，增加了I/O 传感器扩展板V7.1，大大增强了主控板的扩展能力、兼容性和易用性。

将DFRduino UNO R3 与pH 传感器、TDS 传感器及水温传感器等传感器模块进行连接，并基于Arduino IDE 编写程序代码，使系统能自动读取数据，然后通过ESP8266 无线模块上传各种数据。

2.2 传感器

2.2.1 TDS传感器

溶解总固体（TDS，Total Dissolved Solids），用于表示1 L水中溶有多少毫克的溶解性固体。通常情况下，TDS 值为电导率值的一半。电导率是衡量水中无机盐养分的直接指标，但电导率传感器价格昂贵，因此，该系统采集TDS 值，以间接反映鱼植系统中水里的养分含量。

2.2.2 水温传感器

该系统采用的是防水DS18B20 温度传感器，再接上Plugable Terminal 转接器，转换器数字口增加了上拉电阻，使用跳线帽切换使用，这样可以直接将防水DS18B20 温度传感器连接到主控板上，温度显示范围为-10 ℃～+85 ℃（误差±0.5 ℃）。

2.2.3 pH传感器

SEN0169 pH 计是一款专业版模拟pH 计，采用工业在线电极。工业在线pH 复合电极采用低阻抗敏感玻璃膜制成，能在各种条件下进行pH 值测量，具有回应快、热稳定性好的特点，有良好的再现性，不易水解，基本消除了碱误差，在0 ～14pH 范围内呈线性电位值，Ag/AgCl 与凝胶电解质盐桥组成的参比系统具有稳定的半电池电位和优良的抗污染性能，环行聚四氟乙烯隔膜不易阻塞，可长期在线检测。

3 数据监控系统

数据监控系统分为服务器端和移动端，服务器端基于Express 和MongoDB，采用HTTPS 和MQTT 双协议，使用Nginx反向代理。node.js 常用于处理高并发场景，MongoDB 以其优越的性能广泛应用于大数据场景，二者结合为实现鱼植共生物联网系统提供坚实基础[3]。由于云服务器的存在，用户可以随时随地对系统监控。

移动端为App 程序，界面如图1、图2 所示，移动端兼容性好，拥有出色的用户体验，其功能模块如下。

图1 App 界面

图2 数据展示界面

3.1 登陆注册

用户可以通过App 程序进行注册登录，然后获取对应的服务与数据。

3.2 数据查询

用户可以通过App 程序获取服务器上的历史测试数据，可分类查询并下载。

3.3 实时数据监测

App 程序通过WXS 协议与服务器建立WebSocket 通信，搭建MQTT 服务器，用户能通过移动端App 实时获取传感器数据，实现数据实时采集和展示。

3.4 系统预警

用户能根据科学及自身经验对多种参数的阈值进行设置，当系统监测到的实时传感器数据中的该参数值超过或者偏离用户设置的阈值时，系统会自动发出预警，通过移动端App 及时提醒用户注意系统的参数变化。

3.5 鱼植共生基质培计算模型

Wilson Lennard 博士提出的基质培计算模型是目前比较可行的一种方法和模型，可以指导任何一个爱好者或家庭级鱼植系统用户或设计者去设计和计算系统尺寸。这个模型以及其产生的输出值是基于被广泛接受和公认的、与鱼植系统设计直接相关的科学和工程学原则。

该模型是一个基于多个重要输入值计算得出基质床面积的工具。另外，这个模型也提供了几个其他输出值，见表1。基本上这个模型会为用户计算出基质床的表面积，具体取决于用户希望它用于硝化、鱼粪矿化、种植床，或者是兼具以上所有功能。

表1 基质培计算模型参数说明