水質(zhì)動態(tài)辨識監(jiān)測與藥劑智能配制排放系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用

＊侯凌玉 胡世雄 劉一鳴

（1.河南理工大學(xué) 河南 454003 2.黃河交通學(xué)院 河南 454950）

引言

當(dāng)前，針對在密閉水域進(jìn)行的水產(chǎn)養(yǎng)殖，盡管養(yǎng)殖者也采取了許多水質(zhì)處理措施，但是由于生物資源量大，密度高和飼料多等原因，水體富營養(yǎng)化仍然經(jīng)常發(fā)生，常常不能保證長期穩(wěn)定適宜的水質(zhì)環(huán)境。而養(yǎng)殖水體的水質(zhì)對于水產(chǎn)品的質(zhì)量有至關(guān)重要的作用，低質(zhì)量的水產(chǎn)品以及缺乏安全保障等問題嚴(yán)重制約中國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。水質(zhì)的調(diào)節(jié)與控制對于生產(chǎn)高效、優(yōu)質(zhì)的水產(chǎn)品就顯得尤為重要。此外，城市水文景觀以人工湖為例，其生態(tài)自凈能力脆弱，一旦受到污染物的沖擊，水質(zhì)會迅速惡化，景觀效果大為降低，甚至成為臭水匯集之地。若通過換水的方式來改善已污染的水質(zhì)狀況，既不經(jīng)濟(jì)又不利于可持續(xù)發(fā)展，是對水資源的一種浪費(fèi)。用裝置進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)測水質(zhì)，在水質(zhì)惡化初期及時反饋并投放相應(yīng)藥物，從而扼制水質(zhì)惡化趨勢，這種人工智能結(jié)合物理、化學(xué)法去治理人工湖，并緩解水體質(zhì)量的惡化程度，不失為一種較可行的方案。

1.水產(chǎn)養(yǎng)殖及城市水文景觀存在的問題

(1)水產(chǎn)養(yǎng)殖存在的問題

①水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境存在污染

水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境主要會受到三方面的影響：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的農(nóng)藥、化學(xué)肥料等通過污染地表水和地下水，間接影響水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)。地表水和地下水的污染對其影響嚴(yán)重時，不但會導(dǎo)致水產(chǎn)品大面積死亡，影響經(jīng)濟(jì)效益；毒素還會在水產(chǎn)品體內(nèi)積累，而人食用受污染的水產(chǎn)品，就會引發(fā)健康問題。工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的工業(yè)廢水中含有大量的重金屬，不加處理后的排放會導(dǎo)致水體發(fā)生嚴(yán)重污染，破壞水產(chǎn)品的水生態(tài)系統(tǒng)。居民生活廢水中所含有的清潔劑、油脂等，也會引起水質(zhì)污染。

②水產(chǎn)養(yǎng)殖模式不合理

當(dāng)前不少養(yǎng)殖戶不當(dāng)?shù)酿B(yǎng)殖方式、管理模式，還達(dá)不到國家環(huán)保要求。水產(chǎn)養(yǎng)殖模式不合理主要體現(xiàn)在以下三個方面。一是以減少租金成本，獲取更多利潤為目的的高密度養(yǎng)殖，加大了水體負(fù)荷，提高了病害發(fā)生幾率；二是養(yǎng)殖品種搭配不合理導(dǎo)致的飼料過度投放，多余的飼料會發(fā)生沉積且分解出有害物質(zhì)，水質(zhì)變肥變差；三是長期單一品種養(yǎng)殖導(dǎo)致的水體中菌類、藻類失衡以及細(xì)菌、病毒逐漸適應(yīng)水體的不利現(xiàn)象。這些問題都會最終影響水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境，使得水產(chǎn)品質(zhì)量安全難以得到保障。

③漁藥殘留問題

部分水產(chǎn)養(yǎng)殖戶缺少專業(yè)培訓(xùn)，往往會通過過量使用殺蟲劑或抗生素治療水產(chǎn)疾病，卻在不經(jīng)意間誘發(fā)水體細(xì)菌的耐藥性，使得藥物療效下降，水產(chǎn)品的質(zhì)量安全受到影響。同時使用過量的漁用藥物也會在水產(chǎn)品體內(nèi)發(fā)生殘留，導(dǎo)致水產(chǎn)品體內(nèi)藥物殘留量過高，對食用者的健康造成影響。

(2)以人工湖為例的城市水文景觀存在的水質(zhì)問題

城市內(nèi)人工湖與大江、大河相比，它的匯水面積小，水量小，自凈能力弱，而且水體水質(zhì)與湖庫駁岸的生態(tài)性要求高，與四周環(huán)境緊密聯(lián)系，受到污染的風(fēng)險大，富營養(yǎng)化風(fēng)險極高。

隨著人類對水資源開發(fā)利用程度不斷增強(qiáng)以及水環(huán)境污染的增加，水體富營養(yǎng)化存在著潛在的發(fā)展趨勢。一旦水體發(fā)生富營養(yǎng)化，其治理極其棘手，不僅要花費(fèi)大量的人力、物力，更重要的是造成寶貴的水資源的大量浪費(fèi)，使區(qū)域資源的永續(xù)利用，經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重制約。人工湖水質(zhì)問題有反復(fù)出現(xiàn)的現(xiàn)象，一次的治理不能永久地改善湖內(nèi)水環(huán)境問題，降水形成地表徑流，不可避免地造成地表污染物的流入。另外，人為因素也是不可避免的現(xiàn)象。水體一旦污染導(dǎo)致人工湖內(nèi)動植物被污染，使本就脆弱的人工湖的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步惡化，對人工湖內(nèi)水生態(tài)造成不可逆的影響。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)的積累，上述水產(chǎn)養(yǎng)殖及城市水文景觀存在的諸多問題，可以結(jié)合人工智能及自動控制技術(shù)，通過研發(fā)應(yīng)用水質(zhì)動態(tài)檢測監(jiān)測與化學(xué)制劑自動配制排放系統(tǒng)加以解決。

2.水質(zhì)動態(tài)辨識監(jiān)測與藥劑智能配制排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)

(1)研發(fā)目的

該系統(tǒng)的研發(fā)，目的是服務(wù)于密閉水域水產(chǎn)養(yǎng)殖和城市水文景觀建設(shè)的水質(zhì)監(jiān)測及智能改善，由水質(zhì)動態(tài)辨識監(jiān)測系統(tǒng)和藥劑智能配制與排放系統(tǒng)等組成，期間應(yīng)用stm32單片機(jī)控制，最終實(shí)現(xiàn)以下三項(xiàng)功能：實(shí)時水質(zhì)監(jiān)測、藥物智能配置和遠(yuǎn)端智能操控。

系統(tǒng)通過監(jiān)測特定的水質(zhì)指標(biāo)（如DO、pH、水溫，導(dǎo)電率/TDS等）反映出水體水質(zhì)是否符合用戶需求。這些被監(jiān)測的數(shù)據(jù)會傳遞到用戶手機(jī)App中，接受到數(shù)據(jù)的App不僅會將信息傳達(dá)給客戶，也會根據(jù)實(shí)際水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)與用戶需求水質(zhì)的差距，分析出需要投放的藥物原料用量及配比，然后利用stm32單片機(jī)遠(yuǎn)程控制裝置的各個部件，再通過藥物智能配置系統(tǒng)，將提前在原料桶中放好的原料（如鹵素類，重金屬鹽類，微生物類等）按照所需比例要求混合配置和投放，使整個裝置成為一個可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端智能操控的完整裝置，并且實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的持續(xù)改善。

最終通過整個系統(tǒng)的構(gòu)建，在養(yǎng)殖場的進(jìn)水階段便安放此系統(tǒng)，就可以在進(jìn)水口進(jìn)行直接藥物投放，從而提供適宜的水體，提高水產(chǎn)品的生存幾率，加快水產(chǎn)品的生長速度，從而達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的；在水文城市景觀，實(shí)時監(jiān)測水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)問題“早發(fā)現(xiàn)，早治療”，提供更舒適的居住環(huán)境，促進(jìn)“人水和諧”，從而減輕在水文景觀整修保持方面的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

(2)水質(zhì)改善裝置的結(jié)構(gòu)組成

水質(zhì)動態(tài)辨識監(jiān)測與藥劑智能配制排放系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，主要依靠水質(zhì)改善裝置，如圖1所示，該圖為該裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三視圖，有正視圖、側(cè)視圖和俯視圖三張圖構(gòu)成。裝置也主要由三部分組成：藥劑投放裝置、水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測裝置以及智能化遠(yuǎn)程控制裝置。

圖1 水質(zhì)改善裝置三視圖

①藥劑投放裝置

藥劑投放裝置的目的是實(shí)現(xiàn)藥劑與水的配比混合，由進(jìn)水管道和注水裝置原料桶組成。該裝置部分外接一個軟性皮套管，使得運(yùn)輸不同材料的運(yùn)輸管可以與設(shè)備相連接。裝置運(yùn)作時進(jìn)水管道進(jìn)水，原料桶釋放藥劑，二者同時排放到各自出口前端連接的公共管道（公共管道中嵌套的小型管道）內(nèi)部進(jìn)行混合和儲存，最終通過小型管道上面的孔洞來實(shí)現(xiàn)藥劑的排放。

②水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測裝置

水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測裝置直接利用市面上現(xiàn)有的水質(zhì)監(jiān)測儀器經(jīng)過連接進(jìn)入整個系統(tǒng)，同時配合數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備形成一個可視化的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。用戶可以根據(jù)不同的經(jīng)濟(jì)預(yù)算，水質(zhì)指標(biāo)需求重點(diǎn)，選取更貼合自身需求的監(jiān)測裝置，使系統(tǒng)更加靈活地適配不同的客戶需求。通過水質(zhì)監(jiān)測儀監(jiān)測的水中溫度、pH、導(dǎo)電率/TDS、溶解氧濃度與飽和度等數(shù)據(jù)，傳輸進(jìn)手機(jī)App中，達(dá)到數(shù)據(jù)及時可視，動態(tài)監(jiān)測；再根據(jù)App系統(tǒng)智能處理數(shù)據(jù)，提供改善方案，即藥物投放比例建議。

③智能化遠(yuǎn)程控制裝置

智能化遠(yuǎn)程控制裝置，以stm32單片機(jī)作為中央控制系統(tǒng)，通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)App建立其聯(lián)系，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測裝置反饋的數(shù)據(jù)，通過一系列算法，推算出所需藥劑原料的用量，通過stm32單片機(jī)智能控制水泵的開關(guān)，使原料與水體按照預(yù)定的比例進(jìn)行混合配置，并通過stm32單片機(jī)控制裝置出水口的開關(guān)，使配置好的原料水均勻地排放到水池中，從而遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)一鍵配置原料及排放功能。

3.藥劑投放裝置原料桶存放藥劑類型

原料桶存放內(nèi)容種類多樣化，可存放用于水產(chǎn)養(yǎng)殖病害治療的藥劑，也可存放用于水質(zhì)凈化的物質(zhì)。根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖及人工湖的特點(diǎn)，一般投放預(yù)存的藥劑類型有以下四類：鹵素類、重金屬鹽類、磺胺類和微生物類。

鹵素類包括用于治療細(xì)菌性魚病的漂白粉（含氯石灰），利用其滲透作用殺滅體外寄生原生動物及微生物的食鹽（氯化鈉），以及具有強(qiáng)大的殺病原體作用的碘；重金屬鹽類包括多用于治療魚蝦類疾病，防治寄生性鰓病和皮膚病的硫酸銅（藍(lán)礬、石膽），預(yù)防雙穴吸蟲病和血居吸蟲病等的氯化銅（二氯化銅），以及用以防治水霉病及治療創(chuàng)傷的重鉻酸鉀；磺胺類包括用以治療魚類的腸炎病、赤皮病和豎鱗病的磺胺嘧啶；微生物類包括光合成細(xì)菌，酵母——單細(xì)胞蛋白和微生物性飼料添加劑等。

將所需藥劑提前放入原料桶中，在水質(zhì)出現(xiàn)變化時，基于不同水質(zhì)要求的水體藥劑智能選擇與添加的自控系統(tǒng)，可以達(dá)到及時進(jìn)行不同水質(zhì)條件下的藥劑自動選擇、定量添加與長期動態(tài)調(diào)節(jié)，從而促進(jìn)不同水體水質(zhì)要求的長期穩(wěn)定性，對可能出現(xiàn)的養(yǎng)殖病害及時預(yù)防和定量治療，一定程度上減小了人工壓力，養(yǎng)殖戶無需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或直覺隨意用藥，提高了養(yǎng)殖過程的科學(xué)性。

4.結(jié)論

水質(zhì)動態(tài)辨識監(jiān)測與藥劑智能配制排放系統(tǒng)基于不同用途水質(zhì)要求的不同離子動態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同水體離子自動辨識監(jiān)測與分析，促進(jìn)了不同水質(zhì)多樣性動態(tài)辨識分析，為水質(zhì)智能恢復(fù)提供了依據(jù)；基于不同水質(zhì)要求的水體藥劑智能選擇與添加的自控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同水質(zhì)條件下的藥劑自動選擇、定量添加與長期動態(tài)調(diào)節(jié)，促進(jìn)了不同水體水質(zhì)要求的長期穩(wěn)定性；本研究將水體動態(tài)辨識監(jiān)測裝置與智能選控恢復(fù)裝置通過智能控制集于一體，實(shí)現(xiàn)了不同水體水質(zhì)辨識監(jiān)測與智能選控的動態(tài)耦合；通過智能優(yōu)選控制水生態(tài)調(diào)節(jié)與飼養(yǎng)調(diào)節(jié)等多功能一身，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)應(yīng)用的便捷、省時、高效，大大降低水產(chǎn)養(yǎng)殖的門檻，便捷一鍵式地控制城市中多個人工湖中菌劑的排放，進(jìn)而控制多個湖泊的水生態(tài)調(diào)節(jié)。