TWI785737B

TWI785737B - 養殖水質氨氮值智慧控制方法及其設備

Info

Publication number: TWI785737B
Application number: TW110129984A
Authority: TW
Inventors: 連長華; 李鴻志; 林啟燦
Original assignee: 國立高雄科技大學
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2021-08-13
Publication date: 2022-12-01
Also published as: TW202307597A

Abstract

本發明係有關於一種養殖水質氨氮值智慧控制方法及其設備，其主要養殖水中設有感測器，透過所述感測器檢測水中氨氮值並輸入於一模糊控制器，所述模糊控制器經反饋運算出氨氮變化值，再經由模糊控制規則推論，解模糊化導出需啟動的電磁閥換水管數量，藉由電磁閥換水管以虹吸方式排除水池髒汙，確保水質在安全標準內並兼顧環保節能減碳之功效。

Description

養殖水質氨氮值智慧控制方法及其設備

本發明係有關於一種養殖水質氨氮值智慧控制方法及其設備，尤指一種透過模糊控制器之運用，隨時掌控氨氮值，判斷氨氮值變化之趨勢，即時增減排放水量，啟閉電磁閥換水管以虹吸方式排除水池髒汙，無泵換水，可省水省電，環保減碳，是水產養殖或工業廢水處理之重要創作。

按，水中生物皆賴以乾淨合適的水質維生，而水產養殖池的池水、底泥中之有機物分解，以及水中生物的排泄物都會增加氨氮物質的含量，造成水質惡化，危害水中生物的健康，當水中生物(如魚類)長期生活在含NH ₃量較高的水體中，就會形成血氨中毒。養殖水域中的分子氨氮濃度允許的最高值為每公升0.1mg/l，若超過0.2mg/l，滲進生物體內的分子氨(NH ₃)，會使呼吸機能下降，最終魚群將陸續死亡，並影響養殖業的發展。

在水中生物養殖的過程中，包含水質條件(如溶氧、溫度、酸鹼度、鹽度等)、水體污染程度(如氨氮、懸浮固體、氧化還原電位等)與浮游動、植物等，都是會影響養殖水產能夠不生病變與養殖成功的關鍵，維持良好的水質對於水生動物的健康極具重要，常見的作法是監測養殖池內水質之酸鹼度(即PH值)與溶氧量(即DO值)，若水質之酸鹼度變化偏離容許值時，便會啟動泵浦來進行抽、換水工作，也可投放必要之石灰、腐植酸、益生菌等安定劑來進行消毒、分解池底腐壞的物質及提供藻類養分、調節水質的酸鹼度與維持浮游動、植物的密度等，待一段時間後再進行測試，直到酸鹼值在容許的範圍內為止，而水質之溶氧量不足時，則啟動水車進行打水或增氧機來補充水中之溶氧量，藉此確保養殖池內生態的平衡及續存。

然而，上述結構或一般先前技術水質檢測與管理模式是水質污染超過設定之標準值才會啟動警告訊息及排除動作直到水質低於設定之標準值，此方式對水質敏感性魚類相當不利，等到水質降到標準值後，這些魚類已經中毒受傷或死亡；因此，改善上述缺失為業者所亟需解決的問題之一。

緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，再予以研究改良，希望水產養殖業的智慧化應用著重解決缺工、水資源管理與成本問題，藉由物聯網監控、雲端系統、場域整合、自動化機具、大數據平台等技術，協助工作者解決經營困境，透過數據資訊分析輔助決策，能有效精簡勞動力，並進一步提升水產養殖的經濟效益。

本發明之主要目的在於提供一種養殖水質氨氮值智慧控制方法及其設備，尤其是指一種透過模糊控制器之運用，隨時掌控氨氮值，判斷變化的趨勢，即時的增減排放水量，電磁閥換水管以虹吸方式排除水池髒汙，無泵省電，達到節省水產養殖成本比例最高(水費與電費)成本為其目的。

本發明養殖水質氨氮值智慧控制方法之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：

其主要養殖水中設有感測器，透過所述感測器偵測水中氨氮值並輸入於一模糊控制器，所述模糊控制器經反饋運算出氨氮變化值，再經由模糊控制規則推論，解模糊化導出需啟動的電磁閥換水管數量，藉由電磁閥換水管以虹吸方式排除水池髒汙，確保水質在安全標準內並兼顧環保節能減碳之功效。

本發明養殖水質氨氮值智慧控制方法的較佳實施例，其中所述模糊控制理論係定義輸入、輸出模糊集合，給予歸屬函數，建立模糊規則及模糊控制表，再進行模糊推論。

本發明養殖水質氨氮值智慧控制設備之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：

其主要包含有感測器、模糊控制器及數組換水管，其中將所述感測器置於池中並用以偵測水中含氨氮值，而並將該值傳給所述模糊控制器，經反饋運算出氨氮變化值，再經由模糊控制規則推論，解模糊化導出結果，而所述電磁閥開關連結所述模糊控制器，並受所述模糊控制器控制啟閉動作進行換水；藉此，透過調節換水量來控制改變養殖池中之氨氮值，以確保水質在安全標準內，並能進一步經由換水量、換水時間到換水用電均能得到有效控制，達到節省成本的功效。

本發明養殖水質氨氮值智慧控制設備的較佳實施例，其中進一步所述模糊控制器可即時處理水質突發變化狀況並無線連結一遠端伺服器，所述模糊控制器將所述氨氮值與所述氨氮變化值傳送至所述遠端伺服器，並儲存於所述遠端伺服器所建構的資料庫中。

為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：

首先，請參閱第一~二圖，本發明之養殖水質氨氮值智慧控制方法及其設備流程方塊及架構示意圖所示，其控制方法如下：

a)透過置放在養殖池(1)中的感測器(4)偵測水中含氨氮值(11)，所述氨氮值(11)定義為輸入值1，並將該值輸入於一模糊控制器，經反饋運算出氨氮變化值，所述氨氮變化值(12)定義為輸入值2；

b)所述模糊控制器(2)接收到輸入值，再經由模糊控制規則推論，解模糊化導出一輸出值，所述輸出值定義為換水管(3)組數量；

c)所述模糊控制器(2)依據所得之輸出值控制啟閉所述換水管組(3)之電磁閥開關(A)，以執行養殖池換水。

請參第一~二圖所示，本發明養殖水質氨氮值智慧控制方法實際執行時，係需透過下列設備得以操作，其包含有：

至少一感測器(4)，係設置於一養殖池(1)中，用以偵測水中含氨氮值(11)；

一模糊控制器(2)，係與所述感測器(4)連結，以接收所偵測的氨氮值(11)，經反饋運算出氨氮變化值(12)，並進行模糊控制規則推論，解模糊化導出換水變數；

數組換水管(3)，其每一組換水管(3)包含有組設在所述養殖池(1)的淨水導入管(31)及廢水輸出管(32)，於該些管上均設有電磁閥開關(A)，所述電磁閥開關(A)連結所述模糊控制器(2)，並受所述模糊控制器(2)的換水變數控制啟閉動作者。

請參閱第一~九圖所示，於實際操作時，圖中表示於養殖池中安裝有4組換水管(3)，其左側為淨水導入管(31)，右側為廢水輸出管(32)，而該些管上的電磁閥開關(A)均與所述模糊控制器(2)連結，而所述感測器(4)安裝在養殖池(1)內，設定時段偵測養殖池(1)中的氨氮值(11) (輸入值1)，並傳送至所述模糊控制器(2)，模糊控制器(2)依據氨氮值(11) (輸入值1)用反饋運算出氨氮變化值(12)(輸入值2)，再經由模糊控制規則推論解模糊化導出輸出換水管變數；以下簡單說明模糊控制器(2)的模糊控制理論，係定義輸入、輸出模糊集合，給予歸屬函數，建立模糊規則及模糊控制表，再進行模糊推論。

首先，在模糊控制器(2)能接收二個輸入變數，即

(1)氨氮值(NH ₃)的變數表示為NH ₃，單位是mg/L(ppm)；

(2) 氨氮值的變化速度，即氨氮變化值表示為d(NH ₃)/dt，單位是mg/L/sec(ppm/sec)；

及一輸出變數CW(Change Water)，為指換水量即換水管數量，換水管開啟的數量越多換水量越大。

接著，定義輸入、輸出模糊集合，其定義輸入輸出變數的模糊集合如下：

氨氮值[輸入值1(NH ₃)]，NH ₃={過高，適中，低}={high, med, low}；

氨氮變化值[輸入值2(d(NH ₃)/dt)]，NH ₃變化速度={升高，不變，降低}={up, no, down}；

輸出換水管變數[Output(CW)]，換水管數量={4管，3管，2管，1管，0管}={p4,p3,p2,p1,p0}；

續，定義歸屬函數，其係依據現場人員操作經驗、專家經驗，制定歸屬函數；請參閱第三~五圖所示，以下舉例說明輸入氨氮值(NH ₃)、輸入氨氮變化值[d(NH ₃)/dt)]及輸出變數(換水管)的歸屬函數，其第三圖表示為輸入氨氮值(NH ₃)的歸屬函數圖，如圖其數學表示式為：

請再參第四圖表示為輸入氨氮變化值[d(NH ₃)/dt)]的歸屬函數圖，如圖其數學表示式為：

經分析推論後，請參第五圖表示為輸出換水量的歸屬函數圖，如圖其數學表示式為：

於上述歸屬函數完成後，接著，建立模糊規則，係將模糊推論和決策與現場人員操作經驗、專家經驗，訂定成一個模糊規則，如下：

1. If (NH ₃is low) and (d(NH ₃)/dt is down) then (CW is P0)

2. If (NH ₃is low) and (d(NH ₃)/dt is no) then (CW is P1)

3. If (NH ₃is low) and (d(NH ₃)/dt is up) then (CW is P2)

4. If (NH ₃is med) and (d(NH ₃)/dt is down) then (CW is P1)

5. If (NH ₃is med) and (d(NH ₃)/dt is no) then (CW is P2)

6. If (NH ₃is med) and (d(NH ₃)/dt is up) then (CW is P3)

7. If (NH ₃is high) and (d(NH ₃)/dt is down) then (CW is P2)

8. If (NH ₃is high) and (d(NH ₃)/dt is no) then (CW is P3)

9. If (NH ₃is high) and (d(NH ₃)/dt is up) then (CW is P4)

並建立出一模糊控制表，如下：

換水量 CW	NH ₃值
low	med	high
NH ₃變化速度d(NH ₃)/dt	down	P0	P1	P2
no	P1	P2	P3
up	P2	P3	P4

解模糊化：

1.解模糊化得出-5.00 ≦ OUTPUT值＜-3.50，觸發0組換水管；

2.解模糊化得出-3.50 ≦ OUTPUT值＜-0.33，觸發1組換水管；

3.解模糊化得出-0.33 ≦ OUTPUT值＜ 0.66，觸發2組換水管；

4.解模糊化得出 0.66 ≦ OUTPUT值＜ 3.50，觸發3組換水管；

5.解模糊化得出 3.50 ≦ OUTPUT值≦ 5.00，觸發4組換水管；

透過上述的模糊運算分析，進行模糊推論與執行結果：

1.假設NH ₃=0.05為輸入值1，d(NH ₃)/dt=-0.05為輸入值2，推論換水量=-4.16，觸動模糊規則R1、R2、R3、R4、R7，輸出變數是P0，如第六圖所示。

2.假設NH ₃=0.10為輸入值1，d(NH ₃)/dt= 0.00為輸入值2，推論換水量≃ 0.00，觸動模糊規則R2、R4、R5、R6、R8，輸出變數是P2，如第七圖所示。

3.假設NH ₃=0.15為輸入值1，d(NH ₃)/dt= 0.03為輸入值2，推論換水量= 2.00，觸動模糊規則R2、R5、R7、R8、R9，輸出變數是P3，如第八圖所示。

4.假設NH ₃=0.17為輸入值1，d(NH ₃)/dt= 0.07為輸入值2，推論換水量= 4.27，觸動模糊規則R3、R6、R7、R8、R9，輸出變數是P4，如第九圖所示。

經由上述方法配合設備運作，當養殖池(1)中的感測器(4)將數值傳到所述模糊控制器(2)後，依氨氮值(11)與氨氮變化值(12)驅動換水管(3)之電磁閥開關(A)[包含淨水導入管(31)的電磁閥開關(A)及廢水輸出管(32)的電磁閥開關(A)]，藉控制換水量將池水之氨氮值維持於標準值內；進一步所述模糊控制器(2)可無線連結遠端伺服器()，將氨氮值(11)與氨氮變化值(12)以藍芽通訊傳至遠端伺服器(5)顯示及統整資料，存於資料庫(51)中，其數據可作為日後改善的依據，亦可作為遠端監控與管理。

然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。

藉由以上所述，本發明之使用實施說明可知，本發明與現有技術手段相較之下，本發明主要係具有下列優點：

1.本發明可為水質安全預做準備，即使未超過設定安全值，如有增加汙染之趨勢，也會啟動電磁換水管，直到汙染趨勢降低；換句話說，本發明會隨著汙染值的變化而做智慧調整排水量，汙染大排水量大，污染小排水量小，既可守護水質的安全，又可省水省電，環保減碳，是水產養殖或工業廢水處理之重要創作。

2.本發明養殖水質氨氮值智慧控制方法及其設備，由上述執行結果可清楚發現，可以順利模仿人類的智慧，知道在什麼狀況下要增加或減少換水量，既可維護水質的標準又可節省電能及人力資源。

綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

1:養殖池

11:氨氮值

12:氨氮變化值

2:模糊控制器

3:換水管

31:淨水導入管

32:廢水輸出管

4:感測器

5:遠端伺服器

51:資料庫

A:電磁閥開關

第一圖：本發明流程方塊示意圖。

第二圖：本發明整體架構示意圖。

第三圖：本發明輸入氨氮值(NH ₃)的歸屬函數圖。

第四圖：本發明輸入氨氮變化值[d(NH3)/dt)]的歸屬函數圖。

第五圖：本發明換水量的歸屬函數圖。

第六圖：本發明模糊推論結果示意圖一。

第七圖：本發明模糊推論結果示意圖二。

第八圖：本發明模糊推論結果示意圖三。

第九圖：本發明模糊推論結果示意圖四。