描述

在一個超過 8 億人繼續遭受慢性營養不良的世界上，預計到 2050 年全球人口將再增長 20 億，達到 96 億人，在保護地球的同時應對養活地球的巨大挑戰非常重要。子孫后代的自然資源。在這方面，水產養殖在消除饑餓、促進健康、減少貧困以及創造就業和經濟機會方面發揮著關鍵作用。據糧農組織稱，2000-2012 年期間，世界食用魚水產養殖產量以年均 6.2% 的速度增長，從 3240 萬噸增至 6660 萬噸，其中非洲增長 11.7%，拉丁美洲和加勒比地區增長 10%，亞洲（不包括中國）8.2 和中國 5.5。該部門的就業增長速度超過了世界人口的增長速度。該部門為數以千萬計的人提供就業機會，并支持數億人的生計。魚仍然是全球交易量最大的食品之一。這對發展中國家尤其重要，有時價值相當于其貿易商品總價值的一半。

生物絮凝技術 (BFT)被認為是水產養殖的新“藍色革命”。這種技術基于原位微生物生產，發揮三個主要作用：（i）維持水質，通過吸收產生原位微生物蛋白質的氮化合物；(ii) 營養，通過降低飼料轉化率 (FCR) 和降低飼料成本來提高養殖可行性；(iii) 與病原體的競爭。由于有機物質、物理基質和大量微生物之間的復雜相互作用，聚集體（生物絮凝物）是一種富含蛋白質-脂質的天然食物來源，每天 24 小時就地可用。這種自然生產力在循環養分和維持水質方面發揮著重要作用。

生物絮凝技術（BFT）是一種基于原位微生物生產的環境友好型水產養殖技術。魚和蝦以集約化方式生長（每平方米最少 300 克生物質，水交換為零或最少。此外，需要在整個水柱中持續進行水運動以誘導大聚集體（生物絮凝物）的形成。水（根據已知的 12-20:1 的碳氮比）將自然地促進異養微生物群落的形成和穩定。這些微生物發揮三個主要作用：（i）通過吸收維持水質原位產生微生物蛋白的氮化合物；（ii）營養，通過降低飼料轉化率（FCR）和降低飼料成本來提高培養可行性；

BFT中的主要水質參數

任何水產養殖中的水質維護和監測都是旨在實現生長周期成功的基本做法。溫度、溶解氧 (DO)、pH、鹽度 (EC)、ORP、固體[總懸浮固體 (TSS) 和沉降固體]、堿度和正磷酸鹽是應持續監測的一些參數示例，尤其是在 BFT 中。對水質參數及其在 BFT 中的相互作用的理解和理解對于正確開發和維護生產周期至關重要。例如，pH、DO、EC、總氨氮 (TAN)、固體和堿度的安全范圍將導致健康生長并避免死亡。

PH值

pH值是衡量水是酸性還是堿性的量度。魚的平均血液 pH 值為 7.4，因此 pH 值接近此值的池塘水是最佳的。可接受的范圍是 6.5 到 9.0。魚在 pH 值范圍為 4.0 至 6.5 和 9.0 至 11.0 的水中可能會受到壓力。在 pH 值低于 6.5 的水中，魚類的生長受到限制，在 pH 值低于 5.0 時，繁殖會停止，魚苗會死亡。當 pH 值低于 4.0 或高于 11.0 時，幾乎可以肯定死亡。在 BFT 水的 pH 值全天波動。通常，pH 在黃昏時最高，在黎明時最低。這是因為夜間呼吸增加了與水相互作用產生碳酸并降低 pH 值的二氧化碳濃度。這會限制魚血攜帶氧氣的能力。

堿度是水抵抗 pH 值變化的能力，是衡量池塘水中堿（包括碳酸鹽、碳酸氫鹽、氫氧化物、磷酸鹽和硼酸鹽）總濃度的指標。這些堿與酸反應并中和酸，緩沖 pH 值的變化。碳酸鹽和碳酸氫鹽是堿度最常見和最重要的成分。至少 20 ppm 的總堿度對于良好的池塘生產力是必要的。具有高堿度和相似硬度水平的水具有中性或微堿性的 pH 值，并且波動不大。

ORP

它是氧化還原電位（或世界某些地區的氧化還原電位）的首字母縮寫詞。從本質上講，ORP 是衡量水的清潔度的指標，它是其中污染或污染物的函數。這種被稱為溶解有機化合物（或 DOC）的污染物太小太細，無法通過傳統的機械過濾從水中去除。

ORP（ORP 代表氧化還原電位）計給出的數字是池塘污染水平的直接指標。與我們大多數其他水質讀數不同，較低的數字是壞的，而較高的數字是好的。低于 150 的讀數表明池塘需要顯著改善。250-400 是健康池塘的范圍，以及促進魚類良好生長的條件。475 和 550 之間的高數字反映了積極使用高錳酸鉀，這應該會殺死寄生蟲。

ORP 讀數可以幫助您確定您的過濾是否正常工作，或者您是否需要更多過濾。在讀數低于 150 時，應盡快對池塘的過濾進行重大改進，以避免出現大量魚類健康問題。讀數在 150 到 200 之間時，魚的健康狀況不會微不足道，通常會出現綠水和粘液藻，尤其是在沒有紫外線燈的情況下。讀數在 200 到 250 之間時，魚的健康狀況通常還可以，但不是最佳狀態，而且粘稠的藻類或毯狀雜草通常會成為問題。讀數介于 250 和 400 之間，反映了優良的水質，以及通過水質控制來預防魚類健康問題。該范圍的較高端優于較低端，以獲得可靠的良好魚類健康和快速魚類生長。

EC（電導率）

EC或水的電導率是其傳導電流的能力。溶解在水中的鹽或其他化學物質會分解成帶正電和帶負電的離子。水中的這些自由離子導電，所以水的電導率取決于離子的濃度。鹽度和總溶解固體 (TDS)用于計算水的 EC，這有助于表明水的純度。水越純，電導率越低。

影響水電導率的主要帶正電離子是鈉、鈣、鉀和鎂。帶負電荷的主要離子是氯離子、硫酸根離子、碳酸根離子和碳酸氫根離子。硝酸鹽和磷酸鹽對電導率的貢獻很小，但它們在生物學上非常重要。水中對 EC 的自然影響是雨水、地質和蒸發。人類影響包括道路鹽分、化糞池/垃圾填埋場滲濾液、不透水地表徑流和農業徑流。

當水受到污染、污染或雜質時，我們會看到水的 EC 發生變化，因為溶解的物質會增加 EC 水平。因此，EC 可以成為水污染的良好指標。然而值得注意的是，海水中的鹽分等雜質會導致非常高的 EC 讀數，因為水中含有大量溶解的鹽分。這是因為當鹽溶解時，它會分離成離子（帶電原子）。

電導率通常以微西門子 (μS/cm) 為單位測量，讀數通常在 30 μS/cm 到 2000 μS/cm 之間。例如，海水的讀數約為 50, 000 μS/cm。一個值得一提的有趣事實是，當水溫升高時，電導率實際上會增加，因此 EC 通常在 25°C 時記錄，同時記錄溫度和 EC。EC 的另一個測量單位是 mS/cm 或毫西門子每厘米。1 mS/cm = 1000 μS/cm，您經常會發現測量值顯示為 mS/cm，表示 EC 水平較高（即 2000 μS/cm 或更高）。

TDS

總溶解固體 (TDS) 是指已溶解在液體中的物質的量。這些物質可以包括鹽、礦物質、金屬、鈣和其他可以是有機和無機的化合物。簡單來說，TDS 是指水中存在的任何非純水且非懸浮固體的物質。確定 TDS 最常用的方法是測量比電導率，以檢測水中離子 (EC) 的存在。一旦確定了 EC，就會運行轉換因子（通常由執行測量的儀表）來確定 TDS。轉換系數會因您測試的樣品而異，轉換系數通常在 0.4 – 1.0 范圍內。然而，這種方法只估計 TDS 水平。

TDS 通常以百萬分之幾 (ppm) 為單位進行測量，但也可以以 mg/L 為單位進行測量。一般來說，優質水的含量會在 0 到 600 ppm 之間，而超過 1200 ppm 的讀數通常被認為是不令人滿意的 TDS 水平。

基于物聯網的溫度、PH、ORP 和 EC 監測系統

要測量上述任何參數，您將獲得商用儀表，需要手動測量和記錄數據。但對于持續監控和跟蹤，需要基于物聯網的解決方案。在本教程中，我將向您展示我如何制作基于 IoT 的自定義解決方案，以持續監控

溫度、pH、EC 和 ORP。我使用 Wio Terminal 連接所有 Grove 傳感器。數據可以通過 Wio 終端的顯示屏以及 Android 應用程序進行可視化。如果任何參數達到不滿意的水平，將生成警報并響起 Wio 終端的蜂鳴器。您還將在手機上收到通知。MQTT 將用于將數據從 Wio 終端發送到移動應用程序。

收集硬件

我在我的項目中使用了 Seeed 工作室的所有 Grove 傳感器。傳感器與 Wio 終端連接。該項目由兩個并聯的 18650 鋰離子電池供電。電池的輸出為 3.7V，使用升壓轉換器將該電壓提升至 5V。

所有組件都通過雙面穿孔板連接。雙線排針焊接用于放置 Wio 端子。Grove 連接器對面包板不友好。所以我在中間剪斷了電纜并焊接在面包板上。

為了放置傳感器，我制作了一個定制的 3D 打印底座。PCB 的 BNC 端口可以很容易地與底座連接。

底座與穿孔板緊密相連。

傳感器 PCB 使用傳感器隨附的螺母連接到底座。

然后我用電纜將傳感器連接到 PCB。

Wio 終端有兩個內置的 Grove 連接器，一個可用于模擬輸入。因此，我將 Wio 終端的一個內置連接器用于一個傳感器。另外兩個傳感器通過 Wio 底部的 40 針 Pi 連接器連接。

然后我將傳感器探頭連接到帶有 BNC 端口的傳感器電路。

最終的硬件如下所示。

連接所有傳感器和電池后，設備準備就緒，但在此之前，您需要將程序上傳到 Wio 終端。程序草圖附在代碼部分。但在上傳程序之前，如果您是第一次使用 Wio 終端，我建議您閱讀入門指南。官方入門指南在這里。

由于我們使用的是 wifi，您需要更新 Wio 終端的無線核心固件。從這里了解更多信息。

上傳程序后，我將該設備放在我朋友的 Biofloc 工廠之一進行測試。數據可以從 Wio 的 TFT 以及 Android 應用程序中可視化。為了從傳感器獲得準確的結果，您可能需要校準傳感器。有關校準過程，請參見傳感器的數據表。

編碼

Wio 終端的程序是在 Arduino 環境中開發的。草圖有幾個部分。一個片段負責讀取所有傳感器。一個片段負責在 TFT 中顯示信息。開發了兩種類型的圖形界面。您可以通過按下 Wio 終端的內置 A 和 B 按鈕來更改圖形視圖。另一部分代碼負責將傳感器數據發送到 MQTT 代理。您需要添加一些外部庫來正確編譯您的代碼。按照代碼了解詳細信息。

安卓應用

為了可視化來自代理的 MQTT 數據，我們需要一個MQTT 儀表板，那里有很多 MQTT 儀表板，但我們將使用一個名為IoT MQTT Panel的 Android 移動應用程序。有關 IoT MQTT 面板的詳細信息，您可以從此處遵循這個出色的指南。

下圖顯示了應用配置的輸出。我為 pH 選擇立式儀表，為 ORP 和 EC 選擇儀表，為溫度和濕度選擇折線圖。

安裝 IoT MQTT Panel 后，您首先需要配置 MQTT 代理的連接。有幾個 MQTT 代理可用于測試。您必須在草圖和應用程序中使用相同的代理。我使用了一個開放的經紀人 (broker.mqtt-dashboard.com)。因此，根據下圖在應用程序上配置您的連接。

配置連接后，您需要設置一個面板以進行數據可視化。有很多視圖可供選擇。您可以選擇類型作為您的選擇。我選擇了以下。

在工作之前，您需要設置每個面板。注意面板的主題名稱。每個數據都有一個單獨的主題名稱，并且應該使用與草圖中使用的相同主題。

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