描述

在一個(gè)超過 8 億人繼續(xù)遭受慢性營(yíng)養(yǎng)不良的世界上，預(yù)計(jì)到 2050 年全球人口將再增長(zhǎng) 20 億，達(dá)到 96 億人，在保護(hù)地球的同時(shí)應(yīng)對(duì)養(yǎng)活地球的巨大挑戰(zhàn)非常重要。子孫后代的自然資源。在這方面，水產(chǎn)養(yǎng)殖在消除饑餓、促進(jìn)健康、減少貧困以及創(chuàng)造就業(yè)和經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。據(jù)糧農(nóng)組織稱，2000-2012 年期間，世界食用魚水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量以年均 6.2% 的速度增長(zhǎng)，從 3240 萬噸增至 6660 萬噸，其中非洲增長(zhǎng) 11.7%，拉丁美洲和加勒比地區(qū)增長(zhǎng) 10%，亞洲（不包括中國(guó)）8.2 和中國(guó) 5.5。該部門的就業(yè)增長(zhǎng)速度超過了世界人口的增長(zhǎng)速度。該部門為數(shù)以千萬計(jì)的人提供就業(yè)機(jī)會(huì)，并支持?jǐn)?shù)億人的生計(jì)。魚仍然是全球交易量最大的食品之一。這對(duì)發(fā)展中國(guó)家尤其重要，有時(shí)價(jià)值相當(dāng)于其貿(mào)易商品總價(jià)值的一半。

生物絮凝技術(shù) (BFT)被認(rèn)為是水產(chǎn)養(yǎng)殖的新“藍(lán)色革命”。這種技術(shù)基于原位微生物生產(chǎn)，發(fā)揮三個(gè)主要作用：（i）維持水質(zhì)，通過吸收產(chǎn)生原位微生物蛋白質(zhì)的氮化合物；(ii) 營(yíng)養(yǎng)，通過降低飼料轉(zhuǎn)化率 (FCR) 和降低飼料成本來提高養(yǎng)殖可行性；(iii) 與病原體的競(jìng)爭(zhēng)。由于有機(jī)物質(zhì)、物理基質(zhì)和大量微生物之間的復(fù)雜相互作用，聚集體（生物絮凝物）是一種富含蛋白質(zhì)-脂質(zhì)的天然食物來源，每天 24 小時(shí)就地可用。這種自然生產(chǎn)力在循環(huán)養(yǎng)分和維持水質(zhì)方面發(fā)揮著重要作用。

生物絮凝技術(shù)（BFT）是一種基于原位微生物生產(chǎn)的環(huán)境友好型水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)。魚和蝦以集約化方式生長(zhǎng)（每平方米最少 300 克生物質(zhì)，水交換為零或最少。此外，需要在整個(gè)水柱中持續(xù)進(jìn)行水運(yùn)動(dòng)以誘導(dǎo)大聚集體（生物絮凝物）的形成。水（根據(jù)已知的 12-20:1 的碳氮比）將自然地促進(jìn)異養(yǎng)微生物群落的形成和穩(wěn)定。這些微生物發(fā)揮三個(gè)主要作用：（i）通過吸收維持水質(zhì)原位產(chǎn)生微生物蛋白的氮化合物；（ii）營(yíng)養(yǎng)，通過降低飼料轉(zhuǎn)化率（FCR）和降低飼料成本來提高培養(yǎng)可行性；

BFT中的主要水質(zhì)參數(shù)

任何水產(chǎn)養(yǎng)殖中的水質(zhì)維護(hù)和監(jiān)測(cè)都是旨在實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)周期成功的基本做法。溫度、溶解氧 (DO)、pH、鹽度 (EC)、ORP、固體[總懸浮固體 (TSS) 和沉降固體]、堿度和正磷酸鹽是應(yīng)持續(xù)監(jiān)測(cè)的一些參數(shù)示例，尤其是在 BFT 中。對(duì)水質(zhì)參數(shù)及其在 BFT 中的相互作用的理解和理解對(duì)于正確開發(fā)和維護(hù)生產(chǎn)周期至關(guān)重要。例如，pH、DO、EC、總氨氮 (TAN)、固體和堿度的安全范圍將導(dǎo)致健康生長(zhǎng)并避免死亡。

PH值

pH值是衡量水是酸性還是堿性的量度。魚的平均血液 pH 值為 7.4，因此 pH 值接近此值的池塘水是最佳的。可接受的范圍是 6.5 到 9.0。魚在 pH 值范圍為 4.0 至 6.5 和 9.0 至 11.0 的水中可能會(huì)受到壓力。在 pH 值低于 6.5 的水中，魚類的生長(zhǎng)受到限制，在 pH 值低于 5.0 時(shí)，繁殖會(huì)停止，魚苗會(huì)死亡。當(dāng) pH 值低于 4.0 或高于 11.0 時(shí)，幾乎可以肯定死亡。在 BFT 水的 pH 值全天波動(dòng)。通常，pH 在黃昏時(shí)最高，在黎明時(shí)最低。這是因?yàn)橐归g呼吸增加了與水相互作用產(chǎn)生碳酸并降低 pH 值的二氧化碳濃度。這會(huì)限制魚血攜帶氧氣的能力。

堿度是水抵抗 pH 值變化的能力，是衡量池塘水中堿（包括碳酸鹽、碳酸氫鹽、氫氧化物、磷酸鹽和硼酸鹽）總濃度的指標(biāo)。這些堿與酸反應(yīng)并中和酸，緩沖 pH 值的變化。碳酸鹽和碳酸氫鹽是堿度最常見和最重要的成分。至少 20 ppm 的總堿度對(duì)于良好的池塘生產(chǎn)力是必要的。具有高堿度和相似硬度水平的水具有中性或微堿性的 pH 值，并且波動(dòng)不大。

ORP

它是氧化還原電位（或世界某些地區(qū)的氧化還原電位）的首字母縮寫詞。從本質(zhì)上講，ORP 是衡量水的清潔度的指標(biāo)，它是其中污染或污染物的函數(shù)。這種被稱為溶解有機(jī)化合物（或 DOC）的污染物太小太細(xì)，無法通過傳統(tǒng)的機(jī)械過濾從水中去除。

ORP（ORP 代表氧化還原電位）計(jì)給出的數(shù)字是池塘污染水平的直接指標(biāo)。與我們大多數(shù)其他水質(zhì)讀數(shù)不同，較低的數(shù)字是壞的，而較高的數(shù)字是好的。低于 150 的讀數(shù)表明池塘需要顯著改善。250-400 是健康池塘的范圍，以及促進(jìn)魚類良好生長(zhǎng)的條件。475 和 550 之間的高數(shù)字反映了積極使用高錳酸鉀，這應(yīng)該會(huì)殺死寄生蟲。

ORP 讀數(shù)可以幫助您確定您的過濾是否正常工作，或者您是否需要更多過濾。在讀數(shù)低于 150 時(shí)，應(yīng)盡快對(duì)池塘的過濾進(jìn)行重大改進(jìn)，以避免出現(xiàn)大量魚類健康問題。讀數(shù)在 150 到 200 之間時(shí)，魚的健康狀況不會(huì)微不足道，通常會(huì)出現(xiàn)綠水和粘液藻，尤其是在沒有紫外線燈的情況下。讀數(shù)在 200 到 250 之間時(shí)，魚的健康狀況通常還可以，但不是最佳狀態(tài)，而且粘稠的藻類或毯狀雜草通常會(huì)成為問題。讀數(shù)介于 250 和 400 之間，反映了優(yōu)良的水質(zhì)，以及通過水質(zhì)控制來預(yù)防魚類健康問題。該范圍的較高端優(yōu)于較低端，以獲得可靠的良好魚類健康和快速魚類生長(zhǎng)。

EC（電導(dǎo)率）

EC或水的電導(dǎo)率是其傳導(dǎo)電流的能力。溶解在水中的鹽或其他化學(xué)物質(zhì)會(huì)分解成帶正電和帶負(fù)電的離子。水中的這些自由離子導(dǎo)電，所以水的電導(dǎo)率取決于離子的濃度。鹽度和總?cè)芙夤腆w (TDS)用于計(jì)算水的 EC，這有助于表明水的純度。水越純，電導(dǎo)率越低。

影響水電導(dǎo)率的主要帶正電離子是鈉、鈣、鉀和鎂。帶負(fù)電荷的主要離子是氯離子、硫酸根離子、碳酸根離子和碳酸氫根離子。硝酸鹽和磷酸鹽對(duì)電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)很小，但它們?cè)谏飳W(xué)上非常重要。水中對(duì) EC 的自然影響是雨水、地質(zhì)和蒸發(fā)。人類影響包括道路鹽分、化糞池/垃圾填埋場(chǎng)滲濾液、不透水地表徑流和農(nóng)業(yè)徑流。

當(dāng)水受到污染、污染或雜質(zhì)時(shí)，我們會(huì)看到水的 EC 發(fā)生變化，因?yàn)槿芙獾奈镔|(zhì)會(huì)增加 EC 水平。因此，EC 可以成為水污染的良好指標(biāo)。然而值得注意的是，海水中的鹽分等雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致非常高的 EC 讀數(shù)，因?yàn)樗泻写罅咳芙獾柠}分。這是因?yàn)楫?dāng)鹽溶解時(shí)，它會(huì)分離成離子（帶電原子）。

電導(dǎo)率通常以微西門子 (μS/cm) 為單位測(cè)量，讀數(shù)通常在 30 μS/cm 到 2000 μS/cm 之間。例如，海水的讀數(shù)約為 50, 000 μS/cm。一個(gè)值得一提的有趣事實(shí)是，當(dāng)水溫升高時(shí)，電導(dǎo)率實(shí)際上會(huì)增加，因此 EC 通常在 25°C 時(shí)記錄，同時(shí)記錄溫度和 EC。EC 的另一個(gè)測(cè)量單位是 mS/cm 或毫西門子每厘米。1 mS/cm = 1000 μS/cm，您經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)量值顯示為 mS/cm，表示 EC 水平較高（即 2000 μS/cm 或更高）。

TDS

總?cè)芙夤腆w (TDS) 是指已溶解在液體中的物質(zhì)的量。這些物質(zhì)可以包括鹽、礦物質(zhì)、金屬、鈣和其他可以是有機(jī)和無機(jī)的化合物。簡(jiǎn)單來說，TDS 是指水中存在的任何非純水且非懸浮固體的物質(zhì)。確定 TDS 最常用的方法是測(cè)量比電導(dǎo)率，以檢測(cè)水中離子 (EC) 的存在。一旦確定了 EC，就會(huì)運(yùn)行轉(zhuǎn)換因子（通常由執(zhí)行測(cè)量的儀表）來確定 TDS。轉(zhuǎn)換系數(shù)會(huì)因您測(cè)試的樣品而異，轉(zhuǎn)換系數(shù)通常在 0.4 – 1.0 范圍內(nèi)。然而，這種方法只估計(jì) TDS 水平。

TDS 通常以百萬分之幾 (ppm) 為單位進(jìn)行測(cè)量，但也可以以 mg/L 為單位進(jìn)行測(cè)量。一般來說，優(yōu)質(zhì)水的含量會(huì)在 0 到 600 ppm 之間，而超過 1200 ppm 的讀數(shù)通常被認(rèn)為是不令人滿意的 TDS 水平。

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫度、PH、ORP 和 EC 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

要測(cè)量上述任何參數(shù)，您將獲得商用儀表，需要手動(dòng)測(cè)量和記錄數(shù)據(jù)。但對(duì)于持續(xù)監(jiān)控和跟蹤，需要基于物聯(lián)網(wǎng)的解決方案。在本教程中，我將向您展示我如何制作基于 IoT 的自定義解決方案，以持續(xù)監(jiān)控

溫度、pH、EC 和 ORP。我使用 Wio Terminal 連接所有 Grove 傳感器。數(shù)據(jù)可以通過 Wio 終端的顯示屏以及 Android 應(yīng)用程序進(jìn)行可視化。如果任何參數(shù)達(dá)到不滿意的水平，將生成警報(bào)并響起 Wio 終端的蜂鳴器。您還將在手機(jī)上收到通知。MQTT 將用于將數(shù)據(jù)從 Wio 終端發(fā)送到移動(dòng)應(yīng)用程序。

收集硬件

我在我的項(xiàng)目中使用了 Seeed 工作室的所有 Grove 傳感器。傳感器與 Wio 終端連接。該項(xiàng)目由兩個(gè)并聯(lián)的 18650 鋰離子電池供電。電池的輸出為 3.7V，使用升壓轉(zhuǎn)換器將該電壓提升至 5V。

所有組件都通過雙面穿孔板連接。雙線排針焊接用于放置 Wio 端子。Grove 連接器對(duì)面包板不友好。所以我在中間剪斷了電纜并焊接在面包板上。

為了放置傳感器，我制作了一個(gè)定制的 3D 打印底座。PCB 的 BNC 端口可以很容易地與底座連接。

底座與穿孔板緊密相連。

傳感器 PCB 使用傳感器隨附的螺母連接到底座。

然后我用電纜將傳感器連接到 PCB。

Wio 終端有兩個(gè)內(nèi)置的 Grove 連接器，一個(gè)可用于模擬輸入。因此，我將 Wio 終端的一個(gè)內(nèi)置連接器用于一個(gè)傳感器。另外兩個(gè)傳感器通過 Wio 底部的 40 針 Pi 連接器連接。

然后我將傳感器探頭連接到帶有 BNC 端口的傳感器電路。

最終的硬件如下所示。

連接所有傳感器和電池后，設(shè)備準(zhǔn)備就緒，但在此之前，您需要將程序上傳到 Wio 終端。程序草圖附在代碼部分。但在上傳程序之前，如果您是第一次使用 Wio 終端，我建議您閱讀入門指南。官方入門指南在這里。

由于我們使用的是 wifi，您需要更新 Wio 終端的無線核心固件。從這里了解更多信息。

上傳程序后，我將該設(shè)備放在我朋友的 Biofloc 工廠之一進(jìn)行測(cè)試。數(shù)據(jù)可以從 Wio 的 TFT 以及 Android 應(yīng)用程序中可視化。為了從傳感器獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，您可能需要校準(zhǔn)傳感器。有關(guān)校準(zhǔn)過程，請(qǐng)參見傳感器的數(shù)據(jù)表。

編碼

Wio 終端的程序是在 Arduino 環(huán)境中開發(fā)的。草圖有幾個(gè)部分。一個(gè)片段負(fù)責(zé)讀取所有傳感器。一個(gè)片段負(fù)責(zé)在 TFT 中顯示信息。開發(fā)了兩種類型的圖形界面。您可以通過按下 Wio 終端的內(nèi)置 A 和 B 按鈕來更改圖形視圖。另一部分代碼負(fù)責(zé)將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到 MQTT 代理。您需要添加一些外部庫來正確編譯您的代碼。按照代碼了解詳細(xì)信息。

安卓應(yīng)用

為了可視化來自代理的 MQTT 數(shù)據(jù)，我們需要一個(gè)MQTT 儀表板，那里有很多 MQTT 儀表板，但我們將使用一個(gè)名為IoT MQTT Panel的 Android 移動(dòng)應(yīng)用程序。有關(guān) IoT MQTT 面板的詳細(xì)信息，您可以從此處遵循這個(gè)出色的指南。

下圖顯示了應(yīng)用配置的輸出。我為 pH 選擇立式儀表，為 ORP 和 EC 選擇儀表，為溫度和濕度選擇折線圖。

安裝 IoT MQTT Panel 后，您首先需要配置 MQTT 代理的連接。有幾個(gè) MQTT 代理可用于測(cè)試。您必須在草圖和應(yīng)用程序中使用相同的代理。我使用了一個(gè)開放的經(jīng)紀(jì)人 (broker.mqtt-dashboard.com)。因此，根據(jù)下圖在應(yīng)用程序上配置您的連接。

配置連接后，您需要設(shè)置一個(gè)面板以進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化。有很多視圖可供選擇。您可以選擇類型作為您的選擇。我選擇了以下。

在工作之前，您需要設(shè)置每個(gè)面板。注意面板的主題名稱。每個(gè)數(shù)據(jù)都有一個(gè)單獨(dú)的主題名稱，并且應(yīng)該使用與草圖中使用的相同主題。

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