一種智能化水族箱設(shè)計(jì)

孫思文 邢佳銘

摘? 要：該課題研究了一種智能水族箱，可及時(shí)收集并去除水族箱中觀賞魚的排泄物，并通過(guò)單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投餌、水質(zhì)檢測(cè)、增氧控溫等功能，通過(guò)水質(zhì)管理的信息交互，提升觀賞魚飼養(yǎng)的操作體驗(yàn)，降低飼主飼養(yǎng)觀賞魚的精力投入。應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影立體成像技術(shù)，使用無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)采集松花江陽(yáng)明灘大橋的多視影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建景點(diǎn)三維模型數(shù)據(jù)，并通過(guò)3D打印技術(shù)制造出景點(diǎn)的實(shí)物模型作為水族箱主景觀。

關(guān)鍵詞：智能化;水族箱;定制化景觀

Abstract：This subject studies an intelligent aquarium that can collect and remove feces of ornamental fish in the aquarium in a timely manner，and implement functions such as automatic bait feeding，water quality detection，and oxygen and temperature control through single-chip control. Through the information exchange of water quality management，the operation experience of ornamental fish feeding was improved，and the energy input of feeding ornamental fish was reduced. Using UAV tilt photography stereo imaging technology，using UAV as flight platform to collect the multi-view image data of Songhua River Yangmingtan bridge，construct the 3D model data of scenic spot，and make the physical model of scenic spot as the main landscape of aquarium through 3D printing technology.

Keywords：intelligent;aquarium;customized landscape

0? 引? 言

我國(guó)自古便有飼養(yǎng)觀賞魚的習(xí)慣，飼養(yǎng)觀賞魚一直被視為吉祥的象征。據(jù)了解，全世界現(xiàn)有3億多個(gè)水族箱，約2億家庭有飼養(yǎng)習(xí)慣。目前世界觀賞漁業(yè)正以每年10%的速度增長(zhǎng)，英國(guó)有14%的家庭、美國(guó)有15%的家庭、日本有16%的家庭將觀賞魚作為寵物在飼養(yǎng)，美國(guó)有12 000萬(wàn)戶家庭擁有水族箱，占全美家庭總數(shù)的15%。我國(guó)以觀賞魚為龍頭的水族產(chǎn)業(yè)發(fā)展雖是近十來(lái)年的事，規(guī)模也還不大，但其蘊(yùn)含了巨大的發(fā)展?jié)摿1]。在觀賞魚的日常飼養(yǎng)中，水質(zhì)管理是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。通過(guò)調(diào)查，我們知道消費(fèi)者養(yǎng)不易飼養(yǎng)觀賞魚的主要原因是水族箱水質(zhì)管理不當(dāng)，導(dǎo)致水體惡化、魚類不適應(yīng)水環(huán)境，進(jìn)而導(dǎo)致觀賞魚感染疾病或死亡[2]。同時(shí)，對(duì)于水族箱景觀方面，傳統(tǒng)的水族箱造景多采用現(xiàn)成的枯木、石材等作為景觀的主體，為探索新的景觀制作方法，體現(xiàn)養(yǎng)魚者的興趣個(gè)性，本研究結(jié)合傾斜攝影技術(shù)與3D打印技術(shù)制造定制化的水族箱景觀。

1? 研究現(xiàn)狀

本課題對(duì)傳統(tǒng)水族箱進(jìn)行改良，因此，筆者以問(wèn)卷形式對(duì)觀賞魚養(yǎng)殖用戶進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式存在以下問(wèn)題。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)水族箱飼養(yǎng)方式存在著三大弊端，被用戶詬病。

（1）主人因工長(zhǎng)期外出，導(dǎo)致水族箱中的水無(wú)法得到及時(shí)更換;

（2）觀賞魚飼養(yǎng)知識(shí)匱乏，魚易得病，生病后沒(méi)有良好解決辦法;

（3）頻繁換水、每日要抽吸觀賞魚排泄物，工作煩瑣，難以每日?qǐng)?jiān)持。

歸結(jié)上述問(wèn)題，內(nèi)在原因是水中各種微生物的數(shù)量變化導(dǎo)致水體質(zhì)量惡化，進(jìn)而導(dǎo)致觀賞魚生病，頻繁的死亡最終使得用戶對(duì)觀賞魚的養(yǎng)殖興趣消耗殆盡，放棄飼養(yǎng)。本課題設(shè)計(jì)出了一臺(tái)具有去除排泄物、自動(dòng)投餌、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、增氧控溫、遠(yuǎn)程觀賞等功能的水族箱，進(jìn)而減少人為操作的步驟，增加觀賞魚的飼養(yǎng)樂(lè)趣。

2? 總體設(shè)計(jì)方案

筆者基于單片機(jī)控制技術(shù)及傾斜攝影技術(shù)對(duì)智能水族箱進(jìn)行了研究，本課題智能水族箱的研究分為水質(zhì)控制部分以及水族箱造景部分。該水族箱的水質(zhì)通過(guò)物理過(guò)濾裝置和單片機(jī)+物聯(lián)網(wǎng)控制，實(shí)現(xiàn)快速濾除水中糞便的功能，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制投餌，水質(zhì)、溫度監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程視頻欣賞、監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)水族箱的自動(dòng)化管理;水族箱造景使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏好景觀的掃描測(cè)繪，并通過(guò)3D打印機(jī)制造水族箱主景觀，智能水族箱的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2.1? 水質(zhì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水質(zhì)控制系統(tǒng)包括水族箱體、間歇式糞便濾除裝置;水族箱體的內(nèi)下側(cè)固定安裝有糞便收集裝置，所述糞便收集裝置包括殼體、支撐網(wǎng)、砂石體，殼體上分別固定安裝有數(shù)排漏斗體，每排漏斗體均通過(guò)水管連接，且每排水管之間不連接，每排水管都通過(guò)分水器或電磁閥單獨(dú)與抽水泵相連形成水路，殼體的上端安裝有支撐網(wǎng)，支撐網(wǎng)的上側(cè)設(shè)置有砂石體。通過(guò)糞便收集裝置使沉底的糞便，在水泵、抽水管、漏斗型導(dǎo)流和石縫通道形成的水流的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到糞便濾除裝置。間歇式糞便濾除裝置通過(guò)間歇式的抽吸和傳送帶的運(yùn)送使得糞便分離，減少了魚糞便在水流下的沖激溶解;單獨(dú)設(shè)置的糞便收集容器實(shí)現(xiàn)了糞便和水族箱水體的徹底分離。

間歇式糞便濾除裝置固定安裝在水族箱體的內(nèi)上側(cè)，所述間歇式糞便濾除裝置包括過(guò)濾系統(tǒng)、糞便收集槽、間歇過(guò)濾傳送帶機(jī)構(gòu);過(guò)濾系統(tǒng)的右側(cè)固定安裝有糞便收集槽，間歇過(guò)濾傳送帶機(jī)構(gòu)分別設(shè)置在過(guò)濾系統(tǒng)與糞便收集槽的上側(cè)，控制裝置固定安裝在水族箱體的外側(cè)壁上，控制裝置分別與抽水、間歇過(guò)濾傳送帶機(jī)構(gòu)通過(guò)電路連接。如圖2所示硬件結(jié)構(gòu)圖：1——水族箱體;2——?dú)んw;2-1——漏斗體;3——支撐網(wǎng);4——砂石體;5——水管;6——抽水泵;7——過(guò)濾系統(tǒng);8——糞便收集槽;9——間歇過(guò)濾傳送帶機(jī)構(gòu)，10——濾槽電機(jī)。

2.1.1? 間歇式糞便濾除裝置工作原理

在過(guò)濾槽的上方，設(shè)置由紗網(wǎng)制作的，兩端帶有傳送裝置的過(guò)濾傳送帶，在傳送帶的一端設(shè)置糞便收集水槽。魚的糞便在水流的帶動(dòng)下，首先經(jīng)過(guò)下方的支撐網(wǎng)、漏斗等裝置，經(jīng)過(guò)抽吸，通過(guò)連通的管道到達(dá)上方的過(guò)濾紗網(wǎng)，傳送帶式的紗網(wǎng)上面已經(jīng)吸附了糞便。此時(shí)停止水泵工作，啟動(dòng)沙網(wǎng)的傳送裝置;糞便在沙網(wǎng)的帶動(dòng)下，運(yùn)行到下方時(shí)。經(jīng)收集水槽內(nèi)水的浸泡，沖落在收集水槽內(nèi)，完成一個(gè)工作循環(huán)，紗網(wǎng)停止運(yùn)動(dòng)，水泵啟動(dòng)工作，如此往復(fù);每個(gè)工作循環(huán)控制在20秒，至魚基本排泄完。其作用是把魚的糞便及時(shí)清除到糞便收集槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)與水體的完全分離。這樣魚的糞便從排泄到實(shí)現(xiàn)分離可在30秒內(nèi)完成，減少了糞便在水體中的溶解。

2.1.2? 智能控制系統(tǒng)

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，各種環(huán)境參數(shù)信息的采集已經(jīng)可以便捷地實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)結(jié)合成熟的計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。用戶可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控相關(guān)設(shè)備的工作，了解水族箱的狀態(tài)。通過(guò)Wi-Fi和單片機(jī)搭建多種傳感器和攝像頭的信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和視頻查看，圍繞單片機(jī)搭建控制系統(tǒng)，主要硬件有單片機(jī)、溫度傳感器、pH酸堿度傳感器、氨濃度傳感器、亞硝酸鹽濃度傳感器、氧濃度傳感器;氣泵、水泵、加熱器;投餌裝置及同步電機(jī)控制的過(guò)濾棉網(wǎng)傳送過(guò)濾帶，自動(dòng)控制系統(tǒng)和物聯(lián)控制系統(tǒng)?？刂蒲b置包括微控制器、兩路繼電器、在線編程接口、A/D轉(zhuǎn)換接口、接口擴(kuò)展模塊、異步串口、I2C接口;單片機(jī)分別與兩路繼電器、在線編程接口、接口擴(kuò)展模塊、傳送帶電機(jī)電連接，兩路繼電器分別與抽水泵電機(jī)、濾槽電機(jī)連接，接口擴(kuò)展模塊分別與異步串口、A/D轉(zhuǎn)換接口、I2C接口電連接[3]，濾槽電機(jī)安裝在8——糞便收集槽的側(cè)壁上。通過(guò)單片機(jī)的時(shí)鐘控制水泵和紗網(wǎng)的協(xié)調(diào)間歇工作，并且可以與各種傳感器連接，通過(guò)編程，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知和自動(dòng)控制，如圖3所示控制裝置電路框圖。

2.2? 水族箱景觀設(shè)計(jì)

斜視攝像測(cè)量技術(shù)是一種基于傳統(tǒng)攝像測(cè)量技術(shù)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。它利用同一飛行平臺(tái)上承載的多臺(tái)影像采集設(shè)備，同時(shí)從垂直、側(cè)向和前后等角度進(jìn)行圖像采集，能夠比較完整的獲取地面建筑物的表面紋理信息。再結(jié)合現(xiàn)有的、具有一致性并進(jìn)行處理能力的斜視攝像數(shù)據(jù)處理軟件，可實(shí)現(xiàn)大范圍的快速構(gòu)建城市三維建設(shè)模型，很大程度上提高了三維模型的構(gòu)建效率[4]。

2.2.1? 水族箱景觀數(shù)據(jù)采集

在從實(shí)驗(yàn)區(qū)收集數(shù)據(jù)之前，筆者對(duì)傾斜攝影任務(wù)做了詳細(xì)規(guī)劃。其中規(guī)劃的內(nèi)容應(yīng)包含：選擇合理的地域作為飛行區(qū)，綜合布置傾斜攝影多個(gè)控制點(diǎn)，制定飛行軌跡方案。本課題選取松花江作為采集點(diǎn)，百度衛(wèi)星地圖影像圖，如圖4所示。在做好飛行區(qū)規(guī)劃、飛行軌跡設(shè)計(jì)、多個(gè)控制點(diǎn)布局后，選擇晴朗的天氣，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2.2? 三維模型建立

空中傾斜攝影三角測(cè)量數(shù)據(jù)處理完成后，檢查掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量。在確認(rèn)掃描精度無(wú)誤后，開始對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。點(diǎn)云封裝包括攝像機(jī)自校正計(jì)算、光束法局域網(wǎng)平差和多個(gè)空中三角測(cè)量。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝之前，我們應(yīng)核對(duì)以下幾點(diǎn)：

（1）圖像質(zhì)量與生成的點(diǎn)數(shù)成正比，圖像越清晰，點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含的坐標(biāo)越多，相應(yīng)的運(yùn)算時(shí)間越長(zhǎng);

（2）細(xì)節(jié)處理方面，我們可以根據(jù)被采集圖像表面的曲率差異分批進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理，相應(yīng)的曲率高的掃描表面對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)更多，曲率平緩的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)相對(duì)更精簡(jiǎn);

（3）為獲取精度更高的三維數(shù)據(jù)，通常需要三張以上照片作為匹配。

但是由于攝影機(jī)角度或被測(cè)物體遮擋等原因，被動(dòng)的只能選擇兩張照片作為匹配點(diǎn)時(shí)，這時(shí)便需要通過(guò)后期的點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)，從而獲得更高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的三維模型如圖5所示。

2.2.3? 水族箱主景觀制造

使用傾斜攝影及三維建模后的數(shù)據(jù)，應(yīng)用光敏樹脂3D打印技術(shù)制作水族箱主景，光敏樹脂即為紫外樹脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光敏（紫外光）引發(fā)劑或稱為光敏劑，在一定波長(zhǎng)的紫外光照射下立即引發(fā)聚合反應(yīng)，完成固定，光敏樹脂一般為液態(tài)，用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水等用途的材料[5]。水族箱主景觀制造步驟如下。

（1）在計(jì)算機(jī)上使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，將傾斜攝影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的三維模型轉(zhuǎn)換成STL格式文件，把三維實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)劃劃分，準(zhǔn)備進(jìn)行分層處理;

（2）在相應(yīng)的3D打印機(jī)軟件中對(duì)零件CAD模型進(jìn)行切割處理，使三維CAD模型變?yōu)橐幌盗卸S的平面圖形狀。對(duì)應(yīng)每一個(gè)平面圖形狀，計(jì)算機(jī)生成相應(yīng)的掃描軌道痕跡;

（3）光固化成型開始，根據(jù)CAD模型對(duì)樹脂采取一層層疊加固化的形式進(jìn)行零件打印，通過(guò)數(shù)字信號(hào)控制一定波長(zhǎng)的光選擇性輻照液態(tài)光敏樹脂的表層，使其發(fā)生光交聯(lián)，再通過(guò)逐層固化堆積成型實(shí)物模型;

（4）打印完成后通過(guò)高壓水槍清除打印樣件外表面的支撐材料，并對(duì)樣件表面進(jìn)行拋光、噴漆上色等后處理。

3? 結(jié)? 論

根據(jù)調(diào)研所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)有水族箱的問(wèn)題，本課題以快速分離魚所產(chǎn)生的糞便，減少水體中有機(jī)物的溶解、留存為主要目的，輔以水質(zhì)檢測(cè)、水溫控制、氧含量控制、自動(dòng)投餌、遠(yuǎn)程操作等為系統(tǒng)目標(biāo)，設(shè)計(jì)出包含水質(zhì)控制系統(tǒng)和個(gè)性化造景的智能水族箱。從根本上解決通過(guò)換水等煩瑣步驟保障水質(zhì)的問(wèn)題，減少飼養(yǎng)觀賞魚的工作量;同時(shí)通過(guò)傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)，可對(duì)用戶偏好的景觀及建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了定制化水族箱主景觀的目的。該系統(tǒng)可以使用戶在智能化技術(shù)的協(xié)助下更好的體驗(yàn)飼養(yǎng)觀賞魚的樂(lè)趣。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：孫思文（1987.07—），男，漢族，遼寧興城人，工程師，研究生，研究方向：智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)。