一种含有光强调节的鱼菜共生调节系统的制作方法

1.本发明涉及水产养殖与植物种植技术领域，具体为一种含有光强调节的鱼菜共生调节系统。


背景技术：

2.传统的水产养殖随着鱼类(海鲜)的排泄物积累，水里的氨氮元素含量逐渐增大，水质下降，水的毒性也随之增大，鱼类的存活率随之下降，传统的蔬菜鲜花等，基于植物的生长特点，需要定期灌溉、施放肥料以确保植物的生长质量，水产养殖与蔬菜种植两种传统产业，各自有其难以克服的难题，需要人工定期维护，费时费力。
3.根据中国专利号为cn112825807b，一种用于水产养殖的鱼菜共生智能调控系统，包括养鱼机构、收集机构、抽取机构、中间箱、升降机构、储存机构、循环机构及种菜机构；收集机构包括电机、转轴及活动刷，抽取机构包括第一水泵、进料管、废料收集装置、出料管及调节组件，升降机构包括电动推杆、输出杆及顶板，循环机构包括密封箱、第二水泵、进水管及出水管。该系统能有效调控进行水产养殖及蔬菜种植时的鱼类粪便用量的问题，既保证蔬菜的产量、又确保水产养殖时污水的处理，高效、便捷。
4.但是，无论是水产还是植物的生长都直接受到光照作用的影响，上述一种用于水产养殖的鱼菜共生智能调控系统以及目前水产养殖与植物种植相结合的系统(后称鱼菜共生系统)在光照需求上都存在如下问题：
5.(1)光照的基本需求难以满足，水产养殖与植物种植是不同的生产安装需要，有可能安装在室内、密林、山洞等无光照或弱光照环境。
6.(2)由于水产与植物之间、不同水产之间、不同植物之间对光照长度和强度的需求都不尽相同，如果给水产养殖与植物种植供应相同的光照，未必能利于整个水产养殖与植物种植所有养殖种植使其处于最高效的生长状态，其生长速度、生长质量均会受影响。


技术实现要素：

7.解决的技术问题
8.针对现有技术的不足，本发明提供了一种含有光强调节的鱼菜共生调节系统，解决了现有的水产养殖与植物种植系统光照的基本需求难以满足，生长速度、生长质量均会受影响的问题。
9.技术方案
10.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种含有光强调节的鱼菜共生调节系统，包括水产池和植物种植区，所述水产池的一侧设置有供水装置，所述水产池的内部设置有换热器、第一光照度传感器、温度传感器和第一水位计，所述植物种植区设置有第二水位计和第二光照度传感器，所述植物种植区的一侧设置有排水阀，所述水产池与植物种植区之间设置有过滤模块，所述过滤模块输出端与水产池之间设置有第一通水阀，所述过滤模块输出端与植物种植区之间设置有第二通水阀，所述水产池与植物种植区之间
设置有抽水泵，所述水产池的外侧位于供水装置的一侧设置有供氧机，所述过滤模块与过滤模块的输入端之间设置有抽水泵，所述水产池和植物种植区之间设置有补光灯，且补光灯设置在水产池和植物种植区之间居中处，所述补光灯的外侧设置有控制主板。
11.优选的，所述控制主板的操作界面上设置如下参数：
12.(1)所养水产适宜的光照强度a(单位lx)；
13.(2)所养水产适宜的光照时间t1(单位小时/天)；
14.(3)所种植物适宜的光照强度b(单位lx)；
15.(4)所种植物适宜的光照时间t2(单位小时/天)；
16.(5)所养水产的目标经济产值m1(单位元)；
17.(6)所种植物的目标经济产值m2(单位元)；
18.控制主板把m1、m2代入以下公式，计算得到水产的经济总值权重k：
[0019][0020]
k的含义是水产养殖占经济总值的权重，本例以m1＝10000,m2＝40000举例说明，下同，即k＝0.2，即水产在经济上的权重比较小。
[0021]
优选的，所述补光灯的光照时间基于水产与植物的经济总值作为权重，来兼顾两种生态的不同光照需求，计算公式：
[0022][0023]
经过上述步骤，软件计算得到每天光照的总时间为：
[0024][0025]
优选的，所述水产池的控温算法可以使用控制领域经典的pid控制算法，总公式为：
[0026][0027]
其中为控制主板对换热器的输出功率，控制主板每固定的时间间隔n执行一次上述控制公式
①
，计算得到功率并将该功率输出到换热器中，e为目标偏差，即e为用户设置的目标缸中水温ts与温度传感器实际检测到的水温t的差值。
[0028]
优选的，所述第一通水阀和第二通水阀打开与关闭状态的持续时间t1在水产重量m、水产缸体积v在第一抽水泵的作用下，会把过滤模块的有机物堆积区从预设程度一(如有机物塞满10％空间)堆积到预设程度二(如有机物塞满70％空间)，并拟合成函数关系：
[0029]
t1＝f(m,v)
[0030]
水产重量m越大，有机物塞满过滤模块所需时间越短，缸体积v越大，有机物塞满过滤模块所需时间越长。
[0031]
有益效果
[0032]
本发明提供了一种含有光强调节的鱼菜共生调节系统，具备以下有益效果：
[0033]
本发明中将水产养殖与植物种植两套系统合并在一起，水产养殖的水和有机物残
渣经过滤模块处理后，输送到水培栽培系统，直接被植物作为营养吸收利用，向植物种植系统输送水的同时，养鱼系统也补充等量的新鲜水，这样可以确保养鱼系统的水质始终保持健康，种植系统的植物能定期得到合适浓度的养分，在水产养殖与植物种植合适的位置中安装补光灯，由用户根据所养水产种类和所种植物种类分别设置适宜的光照强度和时间，并把养殖水产的目标总产值和植物的目标总产值输入到控制主板中，控制主板会根据控制算法智能执行对应的光照控制策略，实现经济效益最大化的目的。
附图说明
[0034]
图1为本发明的系统水质调控流程图；
[0035]
图2为本发明的光照度控制算法流程图；
[0036]
图3为本发明的补光时间计算流程图；
[0037]
图4为本发明的水产养殖与植物种植控制流程图。
[0038]
其中：1、水产池；2、植物种植区；3、供水装置；4、供氧机；5、换热器；6、排水阀；7、过滤模块；8、第一通水阀；9、第二通水阀；10、补光灯；11、抽水泵；12、温度传感器；13、第一水位计；14、第二水位计；15、第一光照度传感器；16、第二光照度传感器；17、控制主板。
具体实施方式
[0039]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
具体实施例一：
[0041]
如图1-4所示，一种含有光强调节的鱼菜共生调节系统，包括水产池1和植物种植区2，水产池1的一侧设置有供水装置3，水产池1的内部设置有换热器5、第一光照度传感器15、温度传感器12和第一水位计13，植物种植区2设置有第二水位计14和第二光照度传感器16，植物种植区2的一侧设置有排水阀6，水产池1与植物种植区2之间设置有过滤模块7，过滤模块7输出端与水产池1之间设置有第一通水阀8，过滤模块7输出端与植物种植区2之间设置有第二通水阀9，水产池1与植物种植区2之间设置有抽水泵11，水产池1的外侧位于供水装置3的一侧设置有供氧机4，过滤模块7与过滤模块7的输入端之间设置有抽水泵11，水产池1和植物种植区2之间设置有补光灯10，且补光灯10设置在水产池1和植物种植区2之间居中处，补光灯10的外侧设置有控制主板17。
[0042]
换热器5是用于对供水装置3的进水进行加热或制冷的装置，可以是暖水机、电加热器、恒温机、冷水机、压缩机冷媒热交换器等装置，目的是通过制冷、制热的方式对供水水温进行控制，实现系统水温的恒定，提高水产和植物的成活率和生长质量，本方案中控制主板17的数量可以是一块或者多块主板，内置有控制软件可以对第一光照度传感器15、第二光照度传感器16、抽水泵11、第一通水阀8、第二通水阀9和排水阀6进行驱动控制，并可获取温度传感器12、第一水位计13和第二水位计14的状态，控制软件根据当前系统的运行情况和温度传感器12、第一水位计13和第二水位计14的状况，根据特定的控制算法对不同的部件进行控制，实现水产养殖与植物种植的自动化运行。
[0043]
控制主板17的操作界面上设置如下参数：
[0044]
(1)所养水产适宜的光照强度a(单位1x；
[0045]
(2)所养水产适宜的光照时间t1(单位小时/天；
[0046]
(3)所种植物适宜的光照强度b(单位1x；
[0047]
(5)所种植物适宜的光照时间t2(单位小时/天；
[0048]
(6)所养水产的目标经济产值m1单位元；
[0049]
(7)所种植物的目标经济产值m2单位元；
[0050]
控制主板17把m1、m2代入以下公式，计算得到水产的经济总值权重k：
[0051][0052]
k的含义是水产养殖占经济总值的权重，本例以m1＝10000,m2＝40000举例说明，下同，即k＝0.2，即水产在经济上的权重比较小。
[0053]
软件按照每天24小时来对光照进行控制，对补光灯10驱动只分成两个阶段：持续光照阶段和关灯阶段，每24小时，持续光照阶段保持相同的光照强度，其余时间都是关灯阶段，软件按如下方法计算出光照的时间t，在这里，先解释一下光照时间的计算依据，以t1＝12小时，t2＝16小时为例，t1为水产需要光照时间，t2为植物需要光照时间。
[0054]
实际上，0时刻到t1时刻本例以t1《t2来说明，下同，此处实际应该是t1、t2中较小者为水产和植物都需要光照的时间，t1到t2时刻水产和植物其中之一需要光照，t2到第24小时两者都不需要光照。
[0055]
补光灯10的光照时间基于水产与植物的经济总值作为权重，来兼顾两种生态的不同光照需求，计算公式：
[0056][0057]
经过上述步骤，软件计算得到每天光照的总时间为：
[0058][0059]
水产池1的控温算法可以使用控制领域经典的pid控制算法，总公式为：
[0060][0061]
其中p为控制主板17对换热器5的输出功率，例如换热器5为电加热器，则控制主板17的p值越大，则加热效果越强。
[0062]
控制主板17每固定的时间间隔n如1秒，下述内容将继续以1秒举例说明执行一次上述控制公式，计算得到功率p并将该功率输出到换热器5装置中，实现温度控制的目的，控制过程时刻k的定义：k为0时，代表控温算法执行的初始时刻，k＝1为第1时刻本例为第1秒，k＝5为第5时刻本例为第5秒，k＝n为当前时刻即现在。
[0063]
e为目标偏差，即e为用户设置的目标缸中水温ts与温度传感器12实际检测到的水温t的差值，即：e＝t
s-t1，为从0时刻到n时刻当前时刻的目标偏差的累加值，e’为上一时刻的目标偏差值，k
p
、ki、kd为正数常数，例如k
p
＝20、ki＝8、kd＝200，并预置在控制主板17中。
[0064]
基于本公式的特性，当e为正数时，缸中水温t低于目标温度ts，意味着目标偏差为正数，在累加的作用下不断增大，反映的是温度变化的加速度，用来实现把温度上升/下降速度控制在最理想的数值，可以假设以便于理解，即当e为正数时，换热器5单元的输出功率p随着时间的推进不断增加，以此对水温t进行加热，使水温尽可能接近目标温度，同理当e为负数时，缸中水温高于目标温度，p会在该公式的作用下不断下降，加热能力不断降低，甚至降低到零功率，缸中水温会因为空气散热等原因逐渐下降，逐渐接近目标温度，当e一直稳定为0时，缸中水温t等于目标温度ts，即缸中水已经达到目标温度，公式计算出来的结果将一直不变，即p值不再出现增加/减少，即此时处于能量平衡状态，保持固定功率输出，以此实现缸中水温t始终趋向于目标温度。
[0065]
第一通水阀8和第二通水阀9打开与关闭状态的持续时间t1在水产重量m、水产缸体积v第一抽水泵11的作用下，会把过滤模块7的有机物堆积区从预设程度一如有机物塞满10％空间堆积到预设程度二如有机物塞满70％空间，并拟合成函数关系：
[0066]
t1＝f(m,v)
[0067]
例如：t1＝-2.25m+0.025v+3.5
[0068]
本式含义是：水产重量m越大，有机物塞满过滤模块7所需时间越短，缸体积v越大，有机物塞满过滤模块7所需时间越长。
[0069]
本式仅作为举例说明用，实际上可以拟合成各种不同的数学公式，均在本专利的保护范围内，本专利的保护核心是m和v作为参数拟合。
[0070]
当过滤模块7堆积到预设程度二后如有机物塞满70％空间，第一通水阀8关闭，第二通水阀9打开，需要多少时间能把过滤模块7冲洗到预设程度一如有机物塞满10％空间，实验获得该时间后，把时间预置到控制主板17中提供控制算法调用。
[0071]
用户使用时，对水产缸注水安放好水产后，通过操作界面或拨码等方式向控制主板17输入缸中水产的总重量m如m＝100kg和水产缸的总体积v如v＝2立方米，控制软件把用户上一步设置的m、v值代入到主板预置的公式中，计算得到时间，此后在系统运行时，第一通水阀8，第二通水阀9始终按如下控制逻辑运行，全天候实现全自动控制。
[0072]
具体实施例二：
[0073]
如图2,3所示，10时刻以前，补光灯10处于上一天的关灯状态，进入0时刻后，控制主板17通过逐渐增加补光灯10的驱动电压的方式，点亮补光灯10并使补光灯10的亮度逐渐增加，同时实时检测经济产值较大区域植物区域本例的k＝0.2，意味着植物区域的经济产值较大的第二光照度传感器16，当第二光照度传感器16检测到的光照强度b1等于用户设定的b单位lx，则进入下一步骤继续判断；
[0074]
检测经济价值较低水产区域的第一光照度传感器15检测到光照度a1：
[0075]
如果a1的数值在a的
±
c％范围内如
±
20％内则补光灯10的驱动电压不作修正,保持该电压到本阶段结束；
[0076]
如果a1的数值低于a的-c％，如-20％，即a1《(80％
×
a),则逐渐增加补光灯10的驱动电压使其亮度提高，并持续检测b1值，补光灯10的驱动电压在以下两种情况下停止增加，并保持该驱动电压持续到本时段结束：
[0077]
情况1：b1的数值高于或等于b的+c％，如+20％，即b1≥(120％
×
b)时；
[0078]
情况2：a1的数值高于或等于a的-c％如-20％，即a1≥(80％
×
a)时。
[0079]
如果a1的数值高于a的+c％，如+20％，即a1》(120％
×
a),则逐渐减小补光灯10的驱动电压使其亮度下降，并持续检测b1值，补光灯10的驱动电压在以下两种情况下停止减少，并保持该驱动电压持续到本时段结束：
[0080]
情况1：b1的数值低于或等于b的-c％，如-20％，即b1≤(80％
×
b)时；
[0081]
情况2：a1的数值低于或等于a的+c％如+20％，即a1≤(120％
×
a)时。
[0082]
以上情况为植物种植区2经济价值较大的举例说明，当水产缸经济价值较大时，控制算法为两者的参数对调。
[0083]
具体实施例三：
[0084]
如图4所示，自来水或通过硝化、过滤、供氧等措施处理后的纯净水，通过供水装置3输出到水路中，供水装置3受软件控制，并不是一直工作因为一直工作的话会导致水满溢出。
[0085]
控制软件持续根据用户预设的目标水温ts如27℃、t1温度值进行综合判断，对换热器5进行输出驱动，使水产养殖缸中水温稳定在用户设定的温度ts附近。
[0086]
抽水泵11在控制软件的驱动作用下，持续不断地从水产缸中把水抽到过滤模块7中，一般情况下，第一通水阀8打开，第二通水阀9关闭，目的是实现水产缸的日常循环过滤，因为水泵从缸中抽出的鱼粪和其他残渣会被过滤材料过滤或分解掉，实体的成型残渣颗粒、絮状物、鱼粪等有机物会被过滤材料阻隔并集中在有机物堆积区中。
[0087]
每经过一段时间t，软件会将第一通水阀8关闭、第二通水阀9打开，有机物堆积区的鱼粪等天然化肥会在抽水泵11的作用下，跟随水流经过第二通水阀9带向植物种植区2，实现植物养分供给同时对过滤模块7实现自清洁，与此同时，由于水流向植物种植区2，水产缸的水位会降低，这时候，供水装置3会在软件的驱动作用下开始工作，并对水产缸注入新鲜水，水产缸得益于过滤模块7自清洁+新鲜水注入，植物种植区2得益于新的天然化肥供给，整套水产养殖与植物种植借此实现生长状况的全面改善。
[0088]
植物种植区2系统的排水阀6和第一水位计13由控制软件实现两者联动：当软件通过第二水位计14获悉目前植物种植区2的水位已超过限定值，则打开排水阀6，使植物种植区2的水自然排走，防止水满溢造成不必要的问题，当然，植物种植区2系统也可以不用排水阀6和水位计，直接在养殖器皿适当的位置开孔让水一旦漫到开孔位置就自然流走，可以节省成本。
[0089]
当控制主板17通过解析第一水位计13的电平信号获悉水产缸的水位低于预设值时，软件驱动供水设备工作，向水产缸注水，当控制主板17通过第二水位计14检测到水产缸的水位已达到预设值时，供水设备可以立即停止工作，也可以继续注水d秒如10秒然后停止工作，均在本专利的保护范围内。
[0090]
当控制主板17通过解析第二水位计14的电平信号获悉植物种植区2的水位高于预设值时，排水阀6打开，以使植物种植区2的水位下降，防止溢出，当控制主板17通过第二水位计14检测到植物种植区2的水位已低于预设值时，排水阀6可以立即关闭，也可以延迟e秒如10秒然后关闭工作，均在本专利的保护范围内。
[0091]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖
非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个引用结构”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0092]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。