生物絮团监测系统

描述

在一个超过 8 亿人继续遭受慢性营养不良的世界上，预计到 2050 年全球人口将再增长 20 亿，达到 96 亿人，在保护地球的同时应对养活地球的巨大挑战非常重要。子孙后代的自然资源。在这方面，水产养殖在消除饥饿、促进健康、减少贫困以及创造就业和经济机会方面发挥着关键作用。据粮农组织称，2000-2012 年期间，世界食用鱼水产养殖产量以年均 6.2% 的速度增长，从 3240 万吨增至 6660 万吨，其中非洲增长 11.7%，拉丁美洲和加勒比地区增长 10%，亚洲（不包括中国）8.2 和中国 5.5。该部门的就业增长速度超过了世界人口的增长速度。该部门为数以千万计的人提供就业机会，并支持数亿人的生计。鱼仍然是全球交易量最大的食品之一。这对发展中国家尤其重要，有时价值相当于其贸易商品总价值的一半。

生物絮凝技术 (BFT)被认为是水产养殖的新“蓝色革命”。这种技术基于原位微生物生产，发挥三个主要作用：（i）维持水质，通过吸收产生原位微生物蛋白质的氮化合物；(ii) 营养，通过降低饲料转化率 (FCR) 和降低饲料成本来提高养殖可行性；(iii) 与病原体的竞争。由于有机物质、物理基质和大量微生物之间的复杂相互作用，聚集体（生物絮凝物）是一种富含蛋白质-脂质的天然食物来源，每天 24 小时就地可用。这种自然生产力在循环养分和维持水质方面发挥着重要作用。

生物絮凝技术（BFT）是一种基于原位微生物生产的环境友好型水产养殖技术。鱼和虾以集约化方式生长（每平方米最少 300 克生物质，水交换为零或最少。此外，需要在整个水柱中持续进行水运动以诱导大聚集体（生物絮凝物）的形成。水（根据已知的 12-20:1 的碳氮比）将自然地促进异养微生物群落的形成和稳定。这些微生物发挥三个主要作用：（i）通过吸收维持水质原位产生微生物蛋白的氮化合物；（ii）营养，通过降低饲料转化率（FCR）和降低饲料成本来提高培养可行性；

BFT中的主要水质参数

任何水产养殖中的水质维护和监测都是旨在实现生长周期成功的基本做法。温度、溶解氧 (DO)、pH、盐度 (EC)、ORP、固体[总悬浮固体 (TSS) 和沉降固体]、碱度和正磷酸盐是应持续监测的一些参数示例，尤其是在 BFT 中。对水质参数及其在 BFT 中的相互作用的理解和理解对于正确开发和维护生产周期至关重要。例如，pH、DO、EC、总氨氮 (TAN)、固体和碱度的安全范围将导致健康生长并避免死亡。

PH值

pH值是衡量水是酸性还是碱性的量度。鱼的平均血液 pH 值为 7.4，因此 pH 值接近此值的池塘水是最佳的。可接受的范围是 6.5 到 9.0。鱼在 pH 值范围为 4.0 至 6.5 和 9.0 至 11.0 的水中可能会受到压力。在 pH 值低于 6.5 的水中，鱼类的生长受到限制，在 pH 值低于 5.0 时，繁殖会停止，鱼苗会死亡。当 pH 值低于 4.0 或高于 11.0 时，几乎可以肯定死亡。在 BFT 水的 pH 值全天波动。通常，pH 在黄昏时最高，在黎明时最低。这是因为夜间呼吸增加了与水相互作用产生碳酸并降低 pH 值的二氧化碳浓度。这会限制鱼血携带氧气的能力。

碱度是水抵抗 pH 值变化的能力，是衡量池塘水中碱（包括碳酸盐、碳酸氢盐、氢氧化物、磷酸盐和硼酸盐）总浓度的指标。这些碱与酸反应并中和酸，缓冲 pH 值的变化。碳酸盐和碳酸氢盐是碱度最常见和最重要的成分。至少 20 ppm 的总碱度对于良好的池塘生产力是必要的。具有高碱度和相似硬度水平的水具有中性或微碱性的 pH 值，并且波动不大。

ORP

它是氧化还原电位（或世界某些地区的氧化还原电位）的首字母缩写词。从本质上讲，ORP 是衡量水的清洁度的指标，它是其中污染或污染物的函数。这种被称为溶解有机化合物（或 DOC）的污染物太小太细，无法通过传统的机械过滤从水中去除。

ORP（ORP 代表氧化还原电位）计给出的数字是池塘污染水平的直接指标。与我们大多数其他水质读数不同，较低的数字是坏的，而较高的数字是好的。低于 150 的读数表明池塘需要显着改善。250-400 是健康池塘的范围，以及促进鱼类良好生长的条件。475 和 550 之间的高数字反映了积极使用高锰酸钾，这应该会杀死寄生虫。

ORP 读数可以帮助您确定您的过滤是否正常工作，或者您是否需要更多过滤。在读数低于 150 时，应尽快对池塘的过滤进行重大改进，以避免出现大量鱼类健康问题。读数在 150 到 200 之间时，鱼的健康状况不会微不足道，通常会出现绿水和粘液藻，尤其是在没有紫外线灯的情况下。读数在 200 到 250 之间时，鱼的健康状况通常还可以，但不是最佳状态，而且粘稠的藻类或毯状杂草通常会成为问题。读数介于 250 和 400 之间，反映了优良的水质，以及通过水质控制来预防鱼类健康问题。该范围的较高端优于较低端，以获得可靠的良好鱼类健康和快速鱼类生长。

EC（电导率）

EC或水的电导率是其传导电流的能力。溶解在水中的盐或其他化学物质会分解成带正电和带负电的离子。水中的这些自由离子导电，所以水的电导率取决于离子的浓度。盐度和总溶解固体 (TDS)用于计算水的 EC，这有助于表明水的纯度。水越纯，电导率越低。

影响水电导率的主要带正电离子是钠、钙、钾和镁。带负电荷的主要离子是氯离子、硫酸根离子、碳酸根离子和碳酸氢根离子。硝酸盐和磷酸盐对电导率的贡献很小，但它们在生物学上非常重要。水中对 EC 的自然影响是雨水、地质和蒸发。人类影响包括道路盐分、化粪池/垃圾填埋场渗滤液、不透水地表径流和农业径流。

当水受到污染、污染或杂质时，我们会看到水的 EC 发生变化，因为溶解的物质会增加 EC 水平。因此，EC 可以成为水污染的良好指标。然而值得注意的是，海水中的盐分等杂质会导致非常高的 EC 读数，因为水中含有大量溶解的盐分。这是因为当盐溶解时，它会分离成离子（带电原子）。

电导率通常以微西门子 (µS/cm) 为单位测量，读数通常在 30 µS/cm 到 2000 µS/cm 之间。例如，海水的读数约为 50, 000 µS/cm。一个值得一提的有趣事实是，当水温升高时，电导率实际上会增加，因此 EC 通常在 25°C 时记录，同时记录温度和 EC。EC 的另一个测量单位是 mS/cm 或毫西门子每厘米。1 mS/cm = 1000 µS/cm，您经常会发现测量值显示为 mS/cm，表示 EC 水平较高（即 2000 µS/cm 或更高）。

TDS

总溶解固体 (TDS) 是指已溶解在液体中的物质的量。这些物质可以包括盐、矿物质、金属、钙和其他可以是有机和无机的化合物。简单来说，TDS 是指水中存在的任何非纯水且非悬浮固体的物质。确定 TDS 最常用的方法是测量比电导率，以检测水中离子 (EC) 的存在。一旦确定了 EC，就会运行转换因子（通常由执行测量的仪表）来确定 TDS。转换系数会因您测试的样品而异，转换系数通常在 0.4 – 1.0 范围内。然而，这种方法只估计 TDS 水平。

TDS 通常以百万分之几 (ppm) 为单位进行测量，但也可以以 mg/L 为单位进行测量。一般来说，优质水的含量会在 0 到 600 ppm 之间，而超过 1200 ppm 的读数通常被认为是不令人满意的 TDS 水平。

基于物联网的温度、PH、ORP 和 EC 监测系统

要测量上述任何参数，您将获得商用仪表，需要手动测量和记录数据。但对于持续监控和跟踪，需要基于物联网的解决方案。在本教程中，我将向您展示我如何制作基于 IoT 的自定义解决方案，以持续监控

温度、pH、EC 和 ORP。我使用 Wio Terminal 连接所有 Grove 传感器。数据可以通过 Wio 终端的显示屏以及 Android 应用程序进行可视化。如果任何参数达到不满意的水平，将生成警报并响起 Wio 终端的蜂鸣器。您还将在手机上收到通知。MQTT 将用于将数据从 Wio 终端发送到移动应用程序。

收集硬件

我在我的项目中使用了 Seeed 工作室的所有 Grove 传感器。传感器与 Wio 终端连接。该项目由两个并联的 18650 锂离子电池供电。电池的输出为 3.7V，使用升压转换器将该电压提升至 5V。

所有组件都通过双面穿孔板连接。双线排针焊接用于放置 Wio 端子。Grove 连接器对面包板不友好。所以我在中间剪断了电缆并焊接在面包板上。

为了放置传感器，我制作了一个定制的 3D 打印底座。PCB 的 BNC 端口可以很容易地与底座连接。

底座与穿孔板紧密相连。

传感器 PCB 使用传感器随附的螺母连接到底座。

然后我用电缆将传感器连接到 PCB。

Wio 终端有两个内置的 Grove 连接器，一个可用于模拟输入。因此，我将 Wio 终端的一个内置连接器用于一个传感器。另外两个传感器通过 Wio 底部的 40 针 Pi 连接器连接。

然后我将传感器探头连接到带有 BNC 端口的传感器电路。

最终的硬件如下所示。

连接所有传感器和电池后，设备准备就绪，但在此之前，您需要将程序上传到 Wio 终端。程序草图附在代码部分。但在上传程序之前，如果您是第一次使用 Wio 终端，我建议您阅读入门指南。官方入门指南在这里。

由于我们使用的是 wifi，您需要更新 Wio 终端的无线核心固件。从这里了解更多信息。

上传程序后，我将该设备放在我朋友的 Biofloc 工厂之一进行测试。数据可以从 Wio 的 TFT 以及 Android 应用程序中可视化。为了从传感器获得准确的结果，您可能需要校准传感器。有关校准过程，请参见传感器的数据表。

编码

Wio 终端的程序是在 Arduino 环境中开发的。草图有几个部分。一个片段负责读取所有传感器。一个片段负责在 TFT 中显示信息。开发了两种类型的图形界面。您可以通过按下 Wio 终端的内置 A 和 B 按钮来更改图形视图。另一部分代码负责将传感器数据发送到 MQTT 代理。您需要添加一些外部库来正确编译您的代码。按照代码了解详细信息。

安卓应用

为了可视化来自代理的 MQTT 数据，我们需要一个MQTT 仪表板，那里有很多 MQTT 仪表板，但我们将使用一个名为IoT MQTT Panel的 Android 移动应用程序。有关 IoT MQTT 面板的详细信息，您可以从此处遵循这个出色的指南。

下图显示了应用配置的输出。我为 pH 选择立式仪表，为 ORP 和 EC 选择仪表，为温度和湿度选择折线图。

安装 IoT MQTT Panel 后，您首先需要配置 MQTT 代理的连接。有几个 MQTT 代理可用于测试。您必须在草图和应用程序中使用相同的代理。我使用了一个开放的经纪人 (broker.mqtt-dashboard.com)。因此，根据下图在应用程序上配置您的连接。

配置连接后，您需要设置一个面板以进行数据可视化。有很多视图可供选择。您可以选择类型作为您的选择。我选择了以下。

在工作之前，您需要设置每个面板。注意面板的主题名称。每个数据都有一个单独的主题名称，并且应该使用与草图中使用的相同主题。