CN113678774B - 一种基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统及其控制方法，所述鱼菜共生系统包括：养鱼槽；支架，其固定安装在养鱼槽中；旋转架，其可旋转的安装在支架上，旋转架包括圆环形的外框架、中心连接部和多个支撑辐杆；其中，中心连接部设置在外框架的中心处，多个支撑辐杆呈辐射状固定连接在外框架与中心连接部之间；多个植物种植篮，其固定安装在外框架上，并且多个植物种植篮沿外框架的周向均匀间隔布置；补光灯，其设置在旋转架上方；沼泽过滤装置，其固定设置在旋转架上方，沼泽过滤装置的出水落在旋转架上，并且能够带动旋转架旋转；提升泵，其设置在养鱼槽中；水管，其一端连接在提升泵上，另一端与沼泽过滤装置的进水口连通。

Description

一种基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统及其控制方法

技术领域

本发明属于农业物联网技术领域，特别涉及一种基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统及其控制方法。

背景技术

现如今，人类已经步入后工业化时代，人口激增，气候变暖，让粮食安全成为世界性的问题。地球上的资源是有限的，随着工业和都市化的发展，可用来进行农业生产的土地越来越少。而快节奏的生活方式，也让人们逐渐远离了传统的生活和自然。因而，一些诉求在有限空间和资源里生产出最高密度和最大量的农渔业生产方式也就应运而生，这就是鱼菜共生系统。然而，从物联网技术本身来看，我国鱼菜共生系统中的农业物联网技术应用仍处于较低水平，并且对应，用前景缺乏足够认识。对于普通人来说，可能没有足够时间去打理自己植物，了解专门种植的技术，而且设备会占用住房大量的空间；对于专门养殖的人来说，科学对植物补光、灌溉，喂养鱼类并调控系统也是令人困扰的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统，其能够节约空间，并且能够同步实现均匀补光和自动灌溉。

本发明还提供了一种基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统的控制方法，其能对够实现鱼菜共生系统进行自动控制。

本发明提供的技术方案为：

一种基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统，包括如下步骤：

养鱼槽；

支架，其固定安装在所述养鱼槽中；

旋转架，其可旋转的安装在所述支架上，所述旋转架包括圆环形的外框架、中心连接部和多个支撑辐杆；

其中，所述中心连接部设置在所述外框架的中心处，所述多个支撑辐杆呈辐射状固定连接在所述外框架与所述中心连接部之间；

多个植物种植篮，其固定安装在所述外框架上，并且所述多个植物种植篮沿所述外框架的周向均匀间隔布置；所述植物种植篮的底部设置有通孔；

补光灯，其设置在所述旋转架上方；

沼泽过滤装置，其固定设置在所述旋转架上方，所述沼泽过滤装置的出水落在所述旋转架上，并且能够带动所述旋转架旋转；

其中，在所述旋转架旋转的过程中，所述多个植物种植篮依次接触所述养鱼槽中的水，对所述植物种植篮中的植物进行灌溉；

提升泵，其设置在所述养鱼槽中；

水管，其一端连接在所述提升泵上，另一端与所述沼泽过滤装置的进水口连通。

优选的是，所述支架上设置有支撑轴，所述支撑轴水平设置；所述旋转架的中心连接部安装有轴承，并且通过所述轴承可旋转的支撑在所述支撑轴上。

优选的是，所述补光灯包括多个LED灯，所述LED灯包括红光灯、绿光灯和蓝光灯。

优选的是，所述的基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统，还包括：

温度传感器，其设置在所述养鱼槽中，用于检测养鱼槽内的水温；

浊度传感器，其设置在所述养鱼槽中，用于检测养鱼槽内水的浊度；

光敏传感器，其设置在所述支撑轴上，用于检测环境光强度；

控制器，其与所述温度传感器、所述浊度传感器、所述光敏传感器、所述补光灯、所述提升泵同时电联。

一种基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统的控制方法，包括：

按照采样周期采集环境光照强度并记录系统时间，当系统时间达设定补光时间时，计算环境光强度大于光强度阈值的总时长；

如果所述总时长小于光照时长阈值，同时开启补光灯和提升泵，使养鱼槽中的水提升至沼泽过滤装置中，经过滤后，沼泽过滤装置的出水落在旋转架上，并且能够带动所述旋转架旋转，对植物种植篮中的植物进行均匀补光；

继续按照采集环境光照强度并记录系统时间，直到所述总时长达到所述光照时长阈值时，关闭所述补光灯和所述提升泵。

优选的是，在使用补光灯进行补光的过程中，还包括：

根据蔬菜和鱼的种类对补光灯的开启个数，以及确定开启的补光灯中红光灯、绿光灯和蓝光灯的比例。

优选的是，所述的基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统的控制方法，还包括：

按照灌溉周期开启提升泵，使所述旋转架旋转，对植物种植篮中的植物进行灌溉；

如果当前灌溉周期同时进行补光作业，则在下个灌溉周期不再进行灌溉作业。

本发明的有益效果是：

本发明提供的基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统，能够据物联网模块检测到的液温、浊度、电导率、PH、光强这些细粒度数据，实现自动补光、自动灌溉、自动补水、自动水质检测等功能，达到对鱼菜共生系统完全的智能化、精细化控制。

附图说明

图1为本发明所述的鱼菜共生系统的结构示意图。

图2为本发明所述的自动补光算法流程图。

图3为本发明所述的自动调节光波长算法流程图。

图4为本发明所述的自动灌溉算法流程图。

图5为本发明所述的自动补水和提示算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统，其主要包括：养鱼槽110、支架120、旋转架130、植物种植篮140、补光灯150、沼泽过滤装置160、提升泵170及水管180。

支架120固定安装在养鱼槽110中；旋转架130可旋转的安装在支架120上。旋转架130包括圆环形的外框架131、中心连接部132和多个支撑辐杆133；其中，所述中心连接部132设置在所述外框架131的中心处，所述多个支撑辐杆133呈辐射状固定连接在所述外框架131与所述中心连接部132之间。

其中，所述支架120上设置有支撑轴，所述支撑轴水平设置；所述旋转架的中心连接部132安装有轴承，并且通过所述轴承可旋转的支撑在所述支撑轴上。

多个植物种植篮140固定安装在所述外框架131上，并且所述多个植物种植篮140沿所述外框架131的周向均匀间隔布置；所述植物种植篮140的开口向上，植物种植篮140的底部设置有通孔，用于排出多余的水分。补光灯150固定设置在所述旋转架130上方。

其中，补光灯150包括多个LED灯，所述LED灯包括红光灯、绿光灯和蓝光灯。

沼泽过滤装置160固定设置在旋转架130上方，所述沼泽过滤装置160的出水落在旋转架130上，并且能够带动所述旋转架130旋转。其中，在所述旋转架130旋转的过程中，所述多个植物种植篮140依次接触所述养鱼槽110中的水，对所述植物种植篮140中的植物进行灌溉，多余的水分经植物种植篮140的底部的通孔排出。

提升泵170设置在所述养鱼槽110中，并位于养鱼槽110的水面下方。水管180一端连接在所述提升泵170上，另一端与沼泽过滤装置160的进水口连通。提升泵170将养鱼槽110中的水提升到沼泽过滤装置160中，经沼泽过滤装置160过滤后，出水落在旋转架130上，并且能够带动所述旋转架130旋转，之后泽过滤装置160的出水落入养鱼槽110中。

系统硬件采用Arduino Uno板块作为主控板，用ESP8266模块作为系统网络收发模块。将DS18B20温度传感器，浊度传感器浸没在液位之下，光敏传感器设置在支架120上设置的支撑轴上。编写嵌入式程序，使各个传感器在主控板的控制下能正常监测。

实体鱼菜共生系统通过与物联网的传感器设备的感知，可以得出水体中的温度，电导率，液位，光照时间等信息。控制端通过分析得到的信息，自动做出智能注水，智能补光，智能提示等各种功能，实现对多个智能系统的集中统一化构建和管理。

硬件系统具体包括：

(1)智能液温预警系统——温度传感器

防水DS18B20温度传感器使用Plugable Terminal转接器，数字口增加了上拉电阻，使用跳线帽切换使用。温度显示范围为-10℃到+85℃(误差±0.5℃)，使用温度范围：-55℃到125℃。

该传感器放置在养鱼槽底部，搜集液温数据，每30分钟检测一次，提示用户当前的液温数据，实时检测水温并进行报警，提示用户此时温度是否低于或者高于设定的阈值。

(2)智能水位预警系统——液位传感器

液位传感器配备XH2.54转接板，可通过点击设置按钮切换传感器灵敏度，总共四个档位可选，循环变换。可直接采集数字信号，直连主控器。其响应时间为500ms，工作环境温度为0～105℃，感应厚度(灵敏度)范围为0～13mm。当检测到液位时，OUT脚输出高电平，液位传感器指示灯亮，否则输出低电平，液位传感器灯灭。

液位传感器设置在养鱼槽玻璃外壁中部，用户可以自行调整其位置，一天只需检测一次。

在另一种实施例中，还设置有自动补水系统，将补水管的出口设置在养鱼槽中，补水管上安装有电动阀，补水管与外部水泵或自来水管连接，可以自动控制打开所述电动阀，对养鱼槽内进行补水。

如果检测到水位不足，则会在APP端提示用户需要补水，或者自动打开电动阀进行补水。

(3)智能水质检测系统——浊度传感器、电导率传感器、PH传感器

浊度传感器模块选择输出的是模拟量，利用A/D转换器进行采样处理，量程0-4.5NTU。这其中存在着浊度与电压对应关系式。其中，浑浊度的单位是用"度"来表示的，就是相当于1L的水中含有1mg的SiO₂(或是1mg白陶土、硅藻土)时，所产生的浑浊程度为1度；浊度单位为JTU，1NTU＝1mg/L的白陶土悬浮体。现代仪器显示的浊度是散射浊度单位NTU，也称TU，1TU＝1JTU。该传感器放置在养育槽底部，如果检测的浊度超过5NTU，便会对用户进行提示此时水环境浑浊。此处取的是饮用水的浊度。

电导率计用于测量水溶液的电导率值，电导率是电阻率的倒数，与物质传送电流能力的大小有关，在液体中常以电阻的倒数电导来衡量其导电能力的大小。水的电导率是衡量水质的一个重要指标，它能反映出水中存在的电解质的程度。支持检测范围：0～20ms/cm，温度范围：0～40℃。

pH传感器则用于测量溶液的pH，衡量溶液的酸碱程度。pH是衡量溶液酸碱度的一个值，亦称氢离子浓度指数、酸碱值，是溶液中氢离子活度的一种标度。pH在医学、化学、农业上都有广泛的用途。通常pH是一个介于0～14之间的数，在热力学标准状况下，pH＝7的溶液呈中性，pH<7时呈酸性，pH>7时呈碱性。

电导率传感器和pH传感器放置在养育槽底部，用于检测水质的营养，如果EC值高说明基质内含养分丰富，基质pH值偏碱性，能提高种子发芽率，对幼苗生长有促进作用，适宜作为菜的栽培基质，如果EC值和PH值低于设定值则会在APP端提示用户补充营养液或者补水等。控制位1.0倍山崎营养液浓度最佳。

(4)智能光照系统——光敏传感器、彩色LED灯带

采用数字式环境光传感器(光敏传感器)测量不同环境下光的强度，在串口监视器中以数值显示，单位是lx。量程0～120klx，分辨率0.0036lx/ct。光敏传感器放置在可旋转的植物种植篮的支架120的支撑轴上，按照采样周期检测环境光的亮度，通过自动补光算法和光波长控制算法，为用户智能种植植物提供建议。

彩色LED灯带一根管脚即可控制所有LED，每一颗LED都是一个独立的像素点，每个像素点都是由R,G,B三基色颜色组成，可实现256级亮度显示，完成16777216种颜色的全真色彩显示，同时像素点内部包含了智能数字接口数据锁存信号整形放大驱动电路，还内置信号整形电路，有效保证了像素点光的颜色高度一致。可随意对接，弯曲，裁剪，且背面配有3M粘性胶带，可任意固定在凹凸表面，可在窄小的空间里面安装。

LED灯的使用主要由自动补光、光波长算法控制。

(5)智能水循环——水泵和继电器

水泵的开关主要由继电器控制。继电器提供1路输入与输出，最高可以接250V/10A的交流设备或28V/10A的直流设备，能够用来控制电灯、电机等设备。接受数字信号，TTL电平，5V的信号输入。继电器的输出状态都由一个发光二极管表示，方便实际使用。

水泵主要由自动灌溉算法等控制。

(6)主控板、网络交互模块

主控板使用Arduino UNO R3主板，网络模块使用OBLOQ模块。其中，OBLOQ是一款基于ESP8266设计的IIC接口转WIFI物联网模块，具备的两个基础功能：发送数据到物联网和接收物联网数据。模块由Arduino UNO主板供电，接电之后按照事先输入好的程序自动连接环境WIFI，与云端进行连接，发送Arduino UNO端采集到的数据或者接收手机端发送的数据。

主控板搜集传感器采集到的细粒度数据，通过网络模块与云端连接，云端则和用户终端连接，传感器搜集的细粒度数据还有用户从手机终端发送的数据可以通过云端进行交互。实现互联互通。

软件系统具体包括：APP软件和云端设计。

系统的界面主要使用Java语言编写，打包成APK程序在安卓手机上使用，并可以多部手机并发操作。主要功能可分为：

(1)智能控制部分

APP内部预置了有关于例如番茄、芽苗菜、黄瓜等蔬菜的长势发芽、成熟等时期的相关数据，还有孔雀鱼、罗非鱼等鱼类的数据，根据这些数据设定系统参数，做出自动提示、补光、补水等操作，用户也可以自定义。

(2)串口接收及显示部分

APP通过与云端进行通信，通过MQTT协议实时获取传感器采集到的细粒度数据，显示到界面上供使用者参考。

(3)WIFI控制部分

除了控制水泵开关、灯光开关、步机开关等之外，还可以根据所选植物种类和生长时期的不同控制灯光的颜色。

(4)云端收发部分

使用MQTT协议，物联网硬件端采集到的数据通过云端发送给手机接收端，手机发送给硬件端的数据也能通过云端传输给硬件，实现数据的互联互通。

本发明的算法设计如下：

(1)自动补光算法

通过使用自动补光算法，能够在光照不足时，均匀地为植物补光。

实施策略：

普遍来说，喜阴植物的光饱和点为200～1000lx，喜阳植物的光饱和点为1000～2000lx；长日照植物需要12～14h以上的光照时间，短日照植物需要12～14h以下的光照时间，中日照作物在较长或者较短的时间下都能开花结实。。光敏传感器每隔半小时检测一次光照强度，记录时间和光强的数据。如果光强小于规定值，水泵会按所缺少的光照时间打开，用水流的方式带动可旋转的植物生长架转动，设置在植物生长架上方的灯打开，使植物均匀受光，又能达到对植物补水的效果。

植物的光饱和点和最少光照时间可以按照系统预制的默认参数为1000lx和12h，也可以根据用户在终端设置的所种植的植物的信息自动设置，或者可以由用户自定义。

算法描述：

如图2所示，输入值为传感器采集的环境光强度t，每隔一段时间T测量t的值并将其与设定的最小光照强度进行比较，并记录日出日落时间。晚上20点之后统计光强大于最小光强xxKLX的时间，如果本日记录的光照时间不满足设定的情况，则开启补光操作，此时启动水泵，上层沼泽过滤箱中的水流出带动可选旋转的植物种植篮进行旋转，达到均匀补光的效果。待补光时间足够之后停止水泵转动。

(2)光波长控制算法

通过波长控制算法能够实现针对种植不同种类蔬菜的光波长的自动调节功能。

实施策略：

终端输入种植的蔬菜和所养殖的鱼的种类，根据输入的蔬菜和鱼的种类自动设置适合鱼和菜生长的最适波长。

算法描述：

如图3所示，根据手机端输入的蔬菜种类，APP根据内置的参数，自动调整可旋转的植物种植架上方对应的补光灯，例如：如果用户输入草莓，自动把蓝、红光LED灯的个数按照9：1进行设置；如果用户设置菜种类为芽苗菜，状态为发芽，LED灯设置为2蓝，8红。

(3)自动灌溉算法

通过自动灌溉算法实现对可旋转的植物种植篮子中植物自动灌溉的功能。

实施策略：

通过水泵的开关实现对植物的灌溉。其中水流从种植篮流入，能从种植篮下的通孔流出，这么做的目的是为了不让水长时间存续在种植篮里，既能节约水资源又不会让植物由于长期泡在水里而烂根。

算法描述：

如图4所示，从0点开始，每4小时自动开启水泵，对植物进行灌溉操作。如果此时正在补光或者水泵打开，则让其继续旋转，且如果20点在补光，0点就不再启动水泵；如果0点在补光，则4点就不再启动水泵。在其他实施例中，也可从其他时间点开始起算，时间间隔也可以更改设置。

(4)自动补水和提示算法

通过自动补水和提示算法，能够在养鱼槽液位较低，水量不足以至于不能驱动植物生长架转动时进行补水提示或自动补水。

实施策略：

由液位传感器搜集数据，在APP端提示用户，并可以自行打开水泵补水。其中，液位传感器的位置可以由用户自行调整，若传感器位置较高，则说明待蒸发少量水就需要补水，若位置较低则说明蒸发大量的水才需要补水。

算法描述：

如图5所示，液位传感器搜集养鱼槽水位数据，若水位低于设置的警戒线便会向用户端传输数据，提示需要补水，并自动打开电动阀补水，用户也可以自行操作软件进行补水。

将电路硬件系统搭建起来，使用Arduino IDE向主板烧录编好的程序，手机端安装编写好的安卓程序，放置好传感器位置，打开电源，同时打开WIFI让OBLOQ模块与云端建立通信。

本发明提供了一种与物联网结合的沼泽过滤式潮汐鱼菜共生系统，该系统可以在传感器收集的信息和设备的调控下实现智能补光，智能水质检测，智能液温调节，智能水体循环等功能，达到对鱼菜共生系统完全的智能化控制；并且通过开发手机端的APP应用程序，让用户能时刻掌握系统的情况，并提供合适的养殖意见和建议，让不懂鱼菜共生的人也能做到轻松养殖，让从事专业养殖的人也能轻松控制，实现一个手指就可以管理整个系统。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统，其特征在于，包括：

养鱼槽；

支架，其固定安装在所述养鱼槽中；

旋转架，其可旋转的安装在所述支架上，所述旋转架包括圆环形的外框架、中心连接部和多个支撑辐杆；

其中，所述中心连接部设置在所述外框架的中心处，所述多个支撑辐杆呈辐射状固定连接在所述外框架与所述中心连接部之间；

多个植物种植篮，其固定安装在所述外框架上，并且所述多个植物种植篮沿所述外框架的周向均匀间隔布置；所述植物种植篮的底部设置有通孔；

补光灯，其设置在所述旋转架上方；

沼泽过滤装置，其固定设置在所述旋转架上方，所述沼泽过滤装置的出水落在所述旋转架上，并且能够带动所述旋转架旋转；

其中，在所述旋转架旋转的过程中，所述多个植物种植篮依次接触所述养鱼槽中的水，对所述植物种植篮中的植物进行灌溉；

提升泵，其设置在所述养鱼槽中；

水管，其一端连接在所述提升泵上，另一端与所述沼泽过滤装置的进水口连通。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统，其特征在于，所述支架上设置有支撑轴，所述支撑轴水平设置；所述旋转架的中心连接部安装有轴承，并且通过所述轴承可旋转的支撑在所述支撑轴上。

3.根据权利要求2所述的基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统，其特征在于，所述补光灯包括多个LED灯，所述LED灯包括红光灯、绿光灯和蓝光灯。

4.根据权利要求3所述的基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统，其特征在于，还包括：

温度传感器，其设置在所述养鱼槽中，用于检测养鱼槽内的水温；

浊度传感器，其设置在所述养鱼槽中，用于检测养鱼槽内水的浊度；

光敏传感器，其设置在所述支撑轴上，用于检测环境光强度；

控制器，其与所述温度传感器、所述浊度传感器、所述光敏传感器、所述补光灯、所述提升泵同时电联。

5.一种基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统的控制方法，用于控制如权利要求1-4任意一项所述的基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统，其特征在于，包括：

按照采样周期采集环境光照强度并记录系统时间，当系统时间达设定补光时间时，计算环境光强度大于光强度阈值的总时长；

如果所述总时长小于光照时长阈值，同时开启补光灯和提升泵，使养鱼槽中的水提升至沼泽过滤装置中，经过滤后，沼泽过滤装置的出水落在旋转架上，并且能够带动所述旋转架旋转，对植物种植篮中的植物进行均匀补光；

继续按照采集环境光照强度并记录系统时间，直到所述总时长达到所述光照时长阈值时，关闭所述补光灯和所述提升泵。

6.根据权利要求5所述的基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统的控制方法，其特征在于，在使用补光灯进行补光的过程中，还包括：

根据蔬菜和鱼的种类对补光灯的开启个数，以及确定开启的补光灯中红光灯、绿光灯和蓝光灯的比例。

7.根据权利要求6所述的基于物联网的沼泽过滤式鱼菜共生系统的控制方法，其特征在于，还包括：

按照灌溉周期开启提升泵，使所述旋转架旋转，对植物种植篮中的植物进行灌溉；

如果当前灌溉周期同时进行补光作业，则在下个灌溉周期不再进行灌溉作业。

Images