一種智能魚缸雲託管系統及水質調節方法與流程
2023-10-27 23:11:27
本發明涉及智能魚缸技術領域以及物聯網技術領域。
背景技術：
魚缸又稱水族箱，用來模擬魚類的生態環境，為魚類提供良好的飼養環境，魚缸模擬出的生態環境越穩定，魚類的生長越健康，存活率越高，而魚缸水質的好壞對模擬出的生態環境起到了至關重要的作用。
隨著我國經濟的發展和我國人民經濟水平的大幅度提高，近年來，人們對魚類的養殖非常熱愛，尤其是外形豔麗的熱帶魚，花費大量的精力來保證魚類的成活率，然而根據調查數據顯示，超過50％的魚類會在一年內死亡，幫助飼養者降低魚的死亡率無疑具有巨大市場潛力。
隨著科學技術的進步，不斷湧現出基於智慧型手機的智能魚缸來協助人工養魚，現有技術中的「智能魚缸」包括魚缸、水質傳感器(用於檢測溫度、含氧量、ph值、鹽度等)、水質調節機構以及通信模塊等，一般只是將水質傳感器採集的水質參數通過網際網路傳輸到移動終端(智慧型手機)，飼養者根據移動終端上顯示的水質參數，對智能魚缸進行簡單的遠程操控或者人工管理，比如加水、加鹽、增氧等，屬於半智能化，並未實現真正的全智能化。並且，某些品種魚類的飼料，要求飼養者具有較高的專業飼養知識，然而要去積累這些飼養知識需要花費大量的時間和精力，不適應現代社會的快節奏生活，並且也容易因為飼養經驗的不足，造成死亡率高的現象。一言以蔽之，現有技術中的智能魚缸本質上還是人為管理模式，還不能完全將人類從複雜的養魚行為中解放出來。
技術實現要素：
針對上述現有技術的不足，本發明提供一種智能魚缸的水質託管系統，解決了現有技術中智能魚缸不能完全自動的對水質進行管理，需要人工進行參與的技術問題，實現了智能魚缸的全智能化託管。
為了解決上述技術問題，本發明採用了如下的技術方案：一種智能魚缸雲託管系統，包括智能魚缸，所述智能魚缸包括魚缸處理器、水質傳感器以及與水質傳感器相應的水質調節機構，還包括雲伺服器與智慧型手機，所述智能魚缸通過通信模塊將水質傳感器檢測到的水質參數上傳至雲伺服器；
所述智慧型手機配置有養魚參數設置模塊，用於設置以下參數：魚的品種、魚的大小、魚的數量以及魚缸規格；
所述雲伺服器配置有以下功能模塊：養魚參數存儲模塊，用於存儲用戶智慧型手機上傳的養魚參數；水質分析模塊，用於根據智能魚缸上傳的水質參數分析出水質狀態；水質調節模塊，用於根據水質狀態以及養魚參數計算出水質調節方案並下發給智能魚缸。
優選的，所述水質調節機構包括ph值調節機構與鹽度調節機構；所述水質傳感器包括ph值傳感器與鹽度傳感器，所述ph值傳感器與鹽度傳感器分別將採集到的ph值與鹽度測量值通過通信模塊上傳至雲伺服器，雲伺服器根據ph值與鹽度測量值來計算水質調節方案，並將水質調節方案下發給智能魚缸。
優選的，所述水質調節機構還包括加熱棒與氧氣泵；所述水質傳感器還包括溫度傳感器與氧氣傳感器；所述溫度傳感器與氧氣傳感器分別將採集到的水溫和含氧量發送給魚缸處理器，魚缸處理器根據水溫控制加熱棒進行加熱或停止加熱，根據含氧量控制氧氣泵泵氧或者停止泵氧。
優選的，所述智能魚缸的魚缸處理器還分別信號連接有攝像頭、水泵、水位傳感器、led燈、自動餵食器以及顯示屏。
優選的，所述智能魚缸的通信模塊包括能夠與智慧型手機進行通信的無線通信模塊；所述智慧型手機配置有實時視頻監控模塊，用於查看魚缸內魚類的實時狀態；所述智慧型手機還配置有環境參數設置模塊，用於設置魚缸的環境參數，包括溫度標準值、含氧量標準值、ph標準值、以及鹽度閾值；所述魚缸處理器內配置有環境參數存儲模塊。
與現有技術相比，本發明的智能魚缸託管系統具有以下有益效果：
1、用戶能夠在智慧型手機上設置養魚參數並上傳給雲伺服器，智能魚缸實時採集水質參數上傳給雲服務，雲伺服器根據水質參數以及養魚參數實時計算出水質調節方案下發給智能魚缸，智能魚缸根據水質調節方案自動調節魚缸水質，使得魚缸水質能一直保持穩定的良好狀態，為魚類提供良好的生存環境，提高了養魚存活率。
2、水質調節方案由雲伺服器計算，與人工依賴經驗來設計水質調節方案相比，更加科學、精確；並且，使得沒有飼養經驗的人也能實現科學養魚。水質調節方案的執行也由智能魚缸自動完成，大大減輕了人工養魚的勞動量，節省了時間和精力。
3、對魚缸水質的調節進行分級控制，ph值調節與鹽度調節由雲伺服器控制，溫度以及含氧量由魚缸處理器進行控制；這樣，既能使溫度與含氧量得到及時調節，又能減輕雲伺服器處理數據的負擔。
4、還能實現對魚缸的自動換水、燈光控制、自動餵食以及視頻監控。
5、能通過智慧型手機對智能魚缸進行環境參數設置，從而使得更換魚類品種後，智能魚缸能滿足更換後魚類品種的飼養環境需求。
本發明還提供了一種基於本發明的智能魚缸雲託管系統的水質調節方法，雲伺服器內的水質調節模塊根據養魚參數計算出ph標準值以及鹽度閾值，包括以下步驟：
步驟1：ph值傳感器與鹽度傳感器分別實時採集魚缸水質的ph值與鹽度測量值，並上傳給雲伺服器；
步驟2：水質分析模塊將ph值與ph標準值進行比較，並計算出ph偏離度，根據ph偏離度判斷水質狀態是否為ph值失衡，若是，進入步驟4；若否，進入步驟3；
步驟3：水質分析模塊將鹽度與鹽度閾值進行比較並判斷水質狀態是否為鹽度失衡，若否，結束；若是，進入步驟5；
步驟4：水質調節模塊根據ph偏離度，計算出ph調節方案，將ph調節方案發送給智能魚缸，魚缸處理器根據ph調節方案控制ph值調節機構對魚缸水質進行ph值調節；調節完成後，回到步驟1；
步驟5：水質調節模塊根據鹽度測量值計算出鹽度調節方案，並發送給智能魚缸，魚缸處理器根據鹽度調節方案對魚缸水質進行鹽度調節；調節完成後，回到步驟1。
優選的，步驟4中，水質調節模塊按如下方式計算ph調節方案：
將ph偏離度分為四個等級：一級ph偏離度落在[-0.2,0.2]範圍內，二級ph偏離度落在[-0.4,-0.2)∪(0.2,0.4]範圍內，三級ph偏離度落在[-0.6，-0.4)∪(0.4,0.6]範圍內，四級ph偏離度落在(-∞，-0.6)∪(0.6，+∞)；
當水質分析模塊判定ph偏離度為一級偏離度時，水質調節模塊按照如下公式計算緩衝物質加入量vh，單位為ml，vh＝k|10-ph標準值-10-ph值|vg/ch；
其中，k為盛水係數，k＞0；vg為智能魚缸的容積，vg根據養魚參數中的魚缸規格計算得出，單位為ml；ch為緩衝物質濃度，單位為mol/l；
當水質分析模塊判定ph偏離度為二級ph偏離度時或三級ph偏離度時，
水質調節模塊根據以下公式計算換水量vh，vh＝λkvg；其中，k為盛水係數，vg為智能魚缸的容積；λ為換水係數，當為二級ph偏離度時，λ＝0.125；當為三級ph偏離度時，λ＝0.25；當為四級ph偏離度時，λ＝0.5。
優選的，步驟5中水質調節模塊按照如下方式計算鹽度調節方案：
鹽度傳感器包括電導儀與密度計，電導儀測出鹽度值為q，鹽度閾值為[tmin,tmax]，其中，tmin＝qmin，tmax＝qmax，qmin為最小鹽度值，qmax為最大鹽度值；密度計測出智能魚缸的水質密度為ρ，單位為g/cm3；
當q＜tmin時，水質調節模塊按如下公式計算海鹽投放量ms，單位為g：
其中，qb為標準鹽度值，q為測量的鹽度值，md為智能魚缸中淡水的質量，md＝0.8vg，vg為智能魚缸的容積，vg根據養魚參數中的魚缸規格計算得出，單位為ml；
當q＞tmax時，水質調節模塊按如下公式計算淡水加入量ma，單位為g：
其中，mb為智能魚缸中鹽的質量，單位為g，mb按下公式計算：mb＝ρqvg，其中ρ為密度計測出的水質密度，q為電導儀測出的鹽度，vg為智能魚缸的容積，單位為ml。
優選的，鹽度傳感器為密度計，密度計測出智能魚缸的水質密度為ρ，單位為g/cm3；鹽度閾值為[tmin,tmax]，其中，tmin＝ρmin，tmax＝ρmax，ρmin為最小密度值，ρmax為最大密度值；
當ρ＜tmin時，水質調節模塊按如下公式計算海鹽投放量ms，單位為g：
ms＝k(ρmax-ρ)vg，其中，k為盛水係數，k＞0；vg為智能魚缸的容積，單位為ml；；
當ρ＞tmax時，水質調節模塊按如下公式計算淡水加入量ma，單位為g：
ma＝50mbc，其中，mbc為海鹽超標量，mbc＝k(ρ-ρmax)vg，其中，k為盛水係數，k＞0；vg為智能魚缸的容積，單位為ml。
與現有技術相比，本發明的水質調節方法具有以下有益效果：
1、綜合考慮ph值調節與鹽度調節的相互影響，優先調節進行ph調節，ph達到平衡狀態後，再進行鹽度調節，避免鹽度調節對ph調節造成過大的影響。
2、在ph調節時，採用逐級調節的方式，當ph失衡較嚴重時，即ph偏離度為二、三級時，先進行換水處理，快速調節ph，滿足剛需；由於換水處理只能使ph值無限接近ph標準值，無法達到ph標準值，因此當ph偏離度調節到一級時，再加入緩衝物質進行緩慢調節，使魚缸水質逐漸達到ph標準值，實現精確調節。
3、對鹽度調節，採用鹽度法調節時，需要用到電導儀和密度計，測量更加精確，能夠提高鹽度調節的精度；採用密度法調節時，只需要用密度計，能夠降低成本。
附圖說明
圖1是具體實施方式1中智能魚缸雲託管系統的結構示意圖；
圖2是具體實施方式1中水質調節方法的流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和優選實施方式對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施方式1
如圖1所示，一種智能魚缸雲託管系統，包括智能魚缸，所述智能魚缸包括魚缸處理器、水質傳感器以及與水質傳感器相應的水質調節機構，還包括雲伺服器與智慧型手機，所述智能魚缸通過通信模塊將水質傳感器檢測到的水質參數上傳至雲伺服器；
所述智慧型手機配置有養魚參數設置模塊，用於設置以下參數：魚的品種、魚的大小、魚的數量以及魚缸規格；
所述雲伺服器配置有以下功能模塊：養魚參數存儲模塊，用於存儲用戶智慧型手機上傳的養魚參數；水質分析模塊，用於根據智能魚缸上傳的水質參數分析出水質狀態；水質調節模塊，用於根據水質狀態以及養魚參數計算出水質調節方案並下發給智能魚缸。
本具體實施方式中，所述水質調節機構包括ph值調節機構與鹽度調節機構；所述水質傳感器包括ph值傳感器與鹽度傳感器，所述ph值傳感器與鹽度傳感器分別將採集到的ph值與鹽度測量值通過通信模塊上傳至雲伺服器，雲伺服器根據ph值與鹽度測量值來計算水質調節方案，並將水質調節方案下發給智能魚缸。
本具體實施方式中，所述水質調節機構還包括加熱棒與氧氣泵；所述水質傳感器還包括溫度傳感器與氧氣傳感器；所述溫度傳感器與氧氣傳感器分別將採集到的水溫和含氧量發送給魚缸處理器，魚缸處理器根據水溫控制加熱棒進行加熱或停止加熱，根據含氧量控制氧氣泵泵氧或者停止泵氧。
本具體實施方式中，所述智能魚缸的魚缸處理器還分別信號連接有攝像頭、水泵、水位傳感器、led燈、自動餵食器以及顯示屏。
本具體實施方式中，所述智能魚缸的通信模塊包括能夠與智慧型手機進行通信的無線通信模塊；所述智慧型手機配置有實時視頻監控模塊，用於查看魚缸內魚類的實時狀態；所述智慧型手機還配置有環境參數設置模塊，用於設置魚缸的環境參數，包括溫度、含氧量、ph值、以及鹽度；所述魚缸處理器內配置有環境參數存儲模塊。
用戶首先通過智慧型手機設置養魚參數，雲伺服器接受到養魚參數，並根據養魚參數中的魚缸規格(魚缸的長寬高)計算出魚缸體積vg，根據魚的品種計算出ph標準值、鹽度閾值以及溫度標準值，並根據魚的數量以及魚的品種計算出含氧量。雲伺服器將溫度標準值、含氧量標準值、ph標準值、以及鹽度閾值下發給智慧型手機，智慧型手機通過參數設置模塊設置以上環境參數並發送給智能魚缸，智能魚缸接受並將以上環境參數顯示在顯示屏上。魚缸處理器根據溫度標準值以及含氧量標準值控制溫度和含氧量，雲伺服器根據ph標準值以及鹽度閾值控制ph值與鹽度。
智能魚缸的水位傳感器實時檢測魚缸水位，並將水位數據發送給魚缸處理器，魚缸處理器根據水位數據控制水泵給魚缸加上、換水或抽水。攝像頭實時採集魚缸內魚兒的視頻，以供用戶實時觀看魚兒的狀態。魚缸處理器控制自動餵食器給魚兒進行餵食，能夠根據魚兒的生理狀態來增加或減少餵食量。
如圖2所示，本具體實施方式中，智能魚缸雲託管系統的水質調節方法，雲伺服器內的水質調節模塊根據養魚參數計算出ph標準值以及鹽度閾值，包括以下步驟：
步驟1：ph值傳感器與鹽度傳感器分別實時採集魚缸水質的ph值與鹽度值，並上傳給雲伺服器；
步驟2：水質分析模塊將ph值與ph標準值進行比較，並計算出ph偏離度，根據ph偏離度判斷水質狀態是否為ph值失衡，若是，進入步驟4；若否，進入步驟3；
步驟3：水質分析模塊將鹽度與鹽度閾值進行比較並判斷水質狀態是否為鹽度失衡，若否，結束；若是，進入步驟5；
步驟4：水質調節模塊根據ph偏離度，計算出ph調節方案，將ph調節方案發送給智能魚缸，魚缸處理器根據ph調節方案控制ph值調節機構對魚缸水質進行ph值調節；調節完成後，回到步驟1；
步驟5：水質調節模塊根據鹽度測量值計算出鹽度調節方案，並發送給智能魚缸，魚缸處理器根據鹽度調節方案對魚缸水質進行鹽度調節；調節完成後，回到步驟1。
本具體實施方式中，步驟4中，水質調節模塊按如下方式計算ph調節方案：
將ph偏離度分為四個等級：一級ph偏離度落在[-0.2,0.2]範圍內，二級ph偏離度落在[-0.4,-0.2)∪(0.2,0.4]範圍內，三級ph偏離度落在[-0.6，-0.4)∪(0.4,0.6]範圍內，四級ph偏離度落在(-∞，-0.6)∪(0.6，+∞)；
當水質分析模塊判定ph偏離度為一級偏離度時，水質調節模塊按照如下公式計算緩衝物質加入量vh，單位為ml，vh＝k|10-ph標準值-10-ph值|vg/ch；
其中，k為盛水係數，k＞0；vg為智能魚缸的容積，vg根據養魚參數中的魚缸規格計算得出，單位為ml；ch為緩衝物質濃度，單位為mol/l；
當水質分析模塊判定ph偏離度為二級ph偏離度時或三級ph偏離度時，
水質調節模塊根據以下公式計算換水量vh，vh＝λkvg；其中，k為盛水係數，vg為智能魚缸的容積；λ為換水係數，當為二級ph偏離度時，λ＝0.125；當為三級ph偏離度時，λ＝0.25；當為四級ph偏離度時，λ＝0.5。
本具體實施方式中，步驟5中水質調節模塊按照如下方式計算鹽度調節方案：
鹽度傳感器包括電導儀與密度計，電導儀測出鹽度值為q，鹽度閾值為[tmin,tmax]，其中，tmin＝qmin，tmax＝qmax，qmin為最小鹽度值，qmax為最大鹽度值，當飼養的魚類為海水魚時，qmin＝3.3％，qmax＝3.5％，鹽度閾值表示為[3.3％,3.5％]；密度計測出智能魚缸的水質密度為ρ，單位為g/cm3；
當q＜tmin時，水質調節模塊按如下公式計算海鹽投放量ms，單位為g：
其中，qb為標準鹽度值，q為測量的鹽度值，md為智能魚缸中淡水的質量，md＝0.8vg，vg為智能魚缸的容積，vg根據養魚參數中的魚缸規格計算得出，單位為ml；
當q＞tmax時，水質調節模塊按如下公式計算淡水加入量ma，單位為g：
其中，mb為智能魚缸中鹽的質量，單位為g，mb按下公式計算：mb＝ρqvg，其中ρ為密度計測出的水質密度，q為電導儀測出的鹽度，vg為智能魚缸的容積，單位為ml。
具體實施方式2
與具體實施方式1所不同的式，本具體實施方式採用密度法進行鹽度調節，步驟5中水質調節模塊按照如下方式計算鹽度調節方案：
鹽度傳感器為密度計，密度計測出智能魚缸的水質密度為ρ，單位為g/cm3；鹽度閾值為[tmin,tmax]，其中，tmin＝ρmin，tmax＝ρmax，ρmin為最小密度值，ρmax為最大密度值，當飼養的魚類為海水魚時，ρmin＝1.020g/cm3，ρmax＝1.023g/cm3，鹽度閾值表示為[1.020,1.023]；
當ρ＜tmin時，水質調節模塊按如下公式計算海鹽投放量ms，單位為g：
ms＝k(ρmax-ρ)vg，其中，k為盛水係數，k＞0；vg為智能魚缸的容積，單位為ml；
當ρ＞tmax時，水質調節模塊按如下公式計算淡水加入量ma，單位為g：
ma＝50mbc，其中，mbc為海鹽超標量，mbc＝k(ρ-ρmax)vg，其中，k為盛水係數，k＞0；vg為智能魚缸的容積，單位為ml。