“魚菜共生”之居家智慧生態(tài)溫室

王躍文，李峰帆，陳澤榮，吳均堯，郭潤奇，王愛文

（1 廣東科貿(mào)職業(yè)學(xué)院，510430，廣東廣州；2 邢臺學(xué)院，054001，河北邢臺）

隨著人們生活水平的提高，大家對生態(tài)環(huán)境的重視程度越來越高。黨的十八大報告中首次提出中國特色社會主義建設(shè)“五位一體”的總體布局，將“生態(tài)文明”列入國家建設(shè)的總體布局中。本項目研究的居家智慧生態(tài)溫室運用魚菜共生系統(tǒng)，著力追求微型化、平民化，實現(xiàn)超集約魚菜共生。它的出現(xiàn)不僅可以解決過去粗放式魚菜共生系統(tǒng)帶來的問題，還可以實現(xiàn)人與自然和諧相處，同時滿足大部分人回歸自然田園的憧憬。基于魚菜共生的居家智慧生態(tài)溫室將植物栽培和水產(chǎn)養(yǎng)殖兩種不同的農(nóng)業(yè)技術(shù)有機融合起來，是一種生態(tài)型農(nóng)業(yè)新技術(shù)[1-2]。系統(tǒng)外部可以通過精細設(shè)計賦予一定的欣賞價值，旨在滿足人們審美情趣的同時，也能滿足人們希望在城市中擁有一片屬于自己的菜園的想法。

1 發(fā)展歷程

魚菜共生在歷史上一直都是有跡可循的，古人早有利用魚的糞便為植物提供生長所需要的營養(yǎng)成分的案例。早期文明出現(xiàn)的時候，我們的祖先就采用過將養(yǎng)魚與種植植物相互結(jié)合的生產(chǎn)方式。早在三國時期，有歷史記載:“郫縣子魚黃鱗赤尾，出稻田，可以為醬?！惫?100—1350 年，南美洲阿茲特克人將植物種在用木筏等材料做成的浮島上，利用人工浮島的方法發(fā)展農(nóng)業(yè)，稱之為“奇南帕(Chinampa)”，這是最早的魚菜共生歷史記載[3]。他們的這種種植方式雖然與我們現(xiàn)代所說的魚菜共生相差較大，但是屬于最早對于動物植物和諧共生的一種探索。一直到現(xiàn)在，大規(guī)模的發(fā)展魚和植物共同養(yǎng)殖種植的情況也不多，偶爾有人在這方面做小范圍的嘗試，很少有人全方位多角度地去研究。直到1970 年代，澳大利亞園藝工人在池塘養(yǎng)殖中運用魚菜共生的這一理念，很快這一消息便在全球傳開[4]。1980 年代后期有專家將蔬菜栽培到漂浮的筏上，讓其在水面上生長[5]。直到1998 年，我國有學(xué)者系統(tǒng)地開始研究魚菜共生，并且研發(fā)出我國第一臺可以供試驗的魚菜共生設(shè)備，取得了階段性成果[6]。隨后，陸陸續(xù)續(xù)有學(xué)者對其進行研究。

隨著研究的深入，以及智能化、信息化的發(fā)展，魚菜共生得到了越來越多人的關(guān)注。魚菜共生生態(tài)模式逐漸從實驗室走近普通人的生活，逐步向家庭化、小型化的魚菜共生智慧生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。居家智慧生態(tài)溫室作為智能家居家用電器中的一種，具有非常好的實用性、觀賞性和經(jīng)濟效益。截至2017 年，全球魚菜共生市場銷售額已經(jīng)達到5.34 億美元，預(yù)測未來將以年復(fù)合成長率15.9%成長，至2026 年達到20.16 億美元。與此同時，我國智能家居出貨量快速增長，從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)提升凝練發(fā)展而來的“魚菜共生”這種極為經(jīng)典的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式與智能家居結(jié)合而成的居家智慧生態(tài)溫室作為魚菜共生的一種新模式，將是未來農(nóng)業(yè)與居家生活結(jié)合的趨勢。

2 結(jié)構(gòu)及原理

在整個養(yǎng)殖環(huán)境中，主要控制的是水和營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，而這兩者的循環(huán)在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。水或者營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)出現(xiàn)問題，對小型生態(tài)系統(tǒng)中的動植物的影響是致命的。

智慧溫室生態(tài)系統(tǒng)整體可分為魚缸和溫室兩部分。魚缸選用輕型透明且強度相對較高的材料，以保證在養(yǎng)魚的同時具有一定的觀賞價值。下層設(shè)置成一個小型溫室，針對這樣的系統(tǒng)，為了彌補日常光照不足，在系統(tǒng)中增加光照系統(tǒng)，維持整個循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定，在給植物補充光照的同時，縮短了植物的生長周期。在濾缸過濾區(qū)，對無用的雜質(zhì)進行過濾，將魚的排泄物中有用的成分提供給植物生長，使魚與無土栽培植物達到和諧共生的目的。

為了使整個系統(tǒng)長期穩(wěn)定的工作，在魚菜共生居家智慧生態(tài)溫室上加裝控制系統(tǒng)。在控制監(jiān)控上，上位機可由電腦或者手機進行實時監(jiān)控，可以方便用戶對生態(tài)溫室中的數(shù)據(jù)情況進行實時監(jiān)控；下位機由單片機與各種類型傳感器對所需要的數(shù)據(jù)進行采集，同時作出相應(yīng)的控制。通過安裝時間繼電器，實現(xiàn)自動定時投喂和自動換水的功能，這些功能的實現(xiàn)均由單片機來進行控制。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)采用底濾的形式，循環(huán)結(jié)構(gòu)分為缸體、溢流區(qū)下水、濾缸物理區(qū)、微型溫室、水泵等五部分組成。缸體是用戶用來養(yǎng)魚的區(qū)域；溢流區(qū)下水是確保魚缸的水能緩慢流到過濾區(qū)的部件，當(dāng)水泵停止工作時，魚缸中的水不會繼續(xù)流往過濾區(qū)；濾缸物理區(qū)是承載大量過濾水和濾材的箱體，放置如白棉、伊罕石英球、麥飯石等過濾用材；微型溫室為用戶提供種植區(qū)域，同時承擔(dān)過濾系統(tǒng)中生化區(qū)的職能，防止魚缸內(nèi)的魚因新陳代謝帶來的有毒的氨鹽和亞硝酸鹽而死亡；水泵帶動整個過濾系統(tǒng)水流的循環(huán)，保證整個循環(huán)可以完整完成。結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 居家智慧生態(tài)溫室結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

水泵轉(zhuǎn)動后，水泵中的水順著上水管流到魚缸，當(dāng)魚缸的水位上升到一定程度后，超過溢流板的水就會流進溢流區(qū)中，通過溢流區(qū)底部的下水部件流進濾缸物理區(qū)。管路加裝球閥，濾缸物理區(qū)內(nèi)水位升高時，球閥會隨水位一同升高，當(dāng)?shù)竭_一定程度后，浮力會把球閥推到限位點，從而關(guān)閉閥門，阻止下水口繼續(xù)出水。流動水從濾缸物理區(qū)出來后通往微型溫室供給蔬菜生長，同時被吸收掉有害物質(zhì)使其保持在較低的濃度范圍內(nèi)，再一次溢流過后流進水泵，完成循環(huán)。

2.3 控制設(shè)計

控制方面，通過設(shè)置單片機時鐘電路控制自動投喂器電機，可以設(shè)定電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)、轉(zhuǎn)動時間，實現(xiàn)準(zhǔn)時定量投喂飼料，解決了投放飼料時間不規(guī)律、投放量不一及長時間外出無法投放飼料等常見問題，使飼養(yǎng)更加科學(xué)規(guī)律，大幅提高存活率。同時增加非接觸液位傳感器負責(zé)檢測水位，水位過低則發(fā)送信號給單片機，控制閥門打開補水。

對于溫室環(huán)境的調(diào)控則采用單片機、溫濕度傳感器DHT11、光敏傳感器GY-302 等配置，通過傳感器和單片機之間的組網(wǎng)，能夠時刻監(jiān)測溫室里蔬菜生長狀態(tài)指數(shù)，并采用環(huán)境調(diào)控裝備（如加熱管、加濕器、補光燈等）對溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度進行自動控制和調(diào)節(jié)，例如在傳感器監(jiān)測到光照或者濕度不滿足蔬菜正常的生長條件后，單片機自動控制補光燈或者加濕器的通電，幫助形成局部小氣候，營造蔬菜生長發(fā)育的有利條件。

同時采用ESP8266 芯片在裝置中負責(zé)數(shù)據(jù)接收、處理和上傳，傳感器采集到的數(shù)據(jù)反饋到ESP8266 芯片，使用MQTT 協(xié)議，通過WIFI 模塊上傳到云服務(wù)器，使之可以通過智能終端查詢到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集的數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)，并進行遠程控制。智能終端程序界面如圖2 所示。

圖2 智能終端程序界面

3 研究內(nèi)容

基于植物無土栽培和魚缸底濾系統(tǒng)，以微型溫室替代一般魚缸底濾系統(tǒng)中的生化濾缸區(qū)，在減小所需空間的同時能讓蔬菜吸收水中的硝酸鹽等無機物，降低了水體中硝酸鹽和營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，避免了水體的富營養(yǎng)化。居家智慧生態(tài)溫室實際上是一個家庭集約版的魚菜共生系統(tǒng)。蔬菜吸收凈化后的水再返回來養(yǎng)魚，發(fā)揮一般魚缸功能的同時還可以在魚缸下層種植蔬菜，具有景觀性和趣味性。

該系統(tǒng)配備多種功能傳感器，能夠很好地將微型生態(tài)系統(tǒng)中的空氣溫度、空氣濕度、陽光照射度、水分的酸堿度等環(huán)境信息有效收集。對收集到的信息實時監(jiān)控，并且在環(huán)境發(fā)生變化時及時進行調(diào)節(jié)，始終保持最佳的生長環(huán)境。除了對數(shù)據(jù)進行收集之外，利用手機可以對其進行遠程智能控制，執(zhí)行部件和控制節(jié)點之間能夠有效控制，各個節(jié)點相互協(xié)同作用，共同完成監(jiān)控與處理任務(wù)。這樣也方便了都市白領(lǐng)在上班、出差或者出游時隨時隨地對家里的生態(tài)系統(tǒng)進行及時有效的監(jiān)控。

對于這樣的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，尤其要注意以下三個問題：①隨著代謝的不斷持續(xù)，代謝產(chǎn)物對動植物生長的影響；②溫室性能的合理調(diào)控；③溫室循環(huán)系統(tǒng)的調(diào)控。針對以上問題，提出解決辦法。

在封閉式養(yǎng)殖系統(tǒng)中，代謝產(chǎn)物成為棘手的問題，而代謝產(chǎn)物中的氮危害尤其大。隨著代謝的不斷持續(xù)，產(chǎn)物總量積累，達到一定濃度的亞硝酸鹽及硝酸鹽呈現(xiàn)毒性并影響魚類生長。但是，氮作為植物生長必需的營養(yǎng)成分，可以將其利用，變廢為寶。魚的代謝產(chǎn)物為植物的生長提供了養(yǎng)分，在節(jié)約成本的同時提供了無污染的有機肥料，達到物盡其用、零排放、無污染的高效生態(tài)養(yǎng)殖，為人們提供綠色無污染的農(nóng)產(chǎn)品。不同于大自然氣候，溫室內(nèi)的小氣候更多的是受到人工的干預(yù)和控制，其保溫效果的好壞主要取決于溫室設(shè)計調(diào)控和光照調(diào)控，因而溫室作物生產(chǎn)的成敗，與溫室性能有關(guān)。溫室性能控制的關(guān)鍵是科學(xué)地調(diào)控光照、溫度及其相互配合的調(diào)控。居家智慧生態(tài)溫室采用單片機、溫濕度傳感器、光照傳感器等配置，能夠?qū)崟r監(jiān)測溫室里蔬菜生長狀態(tài)指數(shù)，并采用透光材料和環(huán)境調(diào)控設(shè)備對循環(huán)系統(tǒng)里的各種環(huán)境因素，包括溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等進行自動控制和調(diào)節(jié)，形成局部小氣候，營造有利于蔬菜生長發(fā)育的生態(tài)溫室。

總體來說，居家智慧生態(tài)溫室的技術(shù)優(yōu)勢有：

（1）種養(yǎng)一體，循環(huán)利用，無化肥種植。微型溫室的種植無需化肥，蔬菜所需養(yǎng)分來源于魚類排泄物，不需要額外補充化肥。

（2）無除草劑、農(nóng)藥種植。使用循環(huán)系統(tǒng)，不需要使用有毒的化學(xué)農(nóng)藥，且無土栽培，不長雜草，無需除草劑。

（3）無土栽培。微型溫室采用無土化栽培，規(guī)避了土壤污染和病蟲危害，降低了病蟲害威脅。

（4）運用納米技術(shù)。運用納米技術(shù)可以防治魚病及進一步凈化水質(zhì)，提高過濾效果，實現(xiàn)零排放。

（5）無需其他養(yǎng)分來源。魚類排泄物養(yǎng)分全面，富含蔬菜生長所需的各種中量元素及微量元素，鐵元素含量不足可通過往魚飼料添加螯合鐵來補充，其他養(yǎng)分無需額外添加。

4 結(jié)語

“魚菜共生”的居家智慧生態(tài)溫室，有助于把魚菜共生這一對生態(tài)環(huán)境有利的復(fù)合種養(yǎng)體系帶進千家萬戶，改善人們的生活；在具有觀賞價值的同時兼具為人們提供綠色健康的蔬菜的功能，有利于生活品質(zhì)的提高，同時解決了食品安全問題；為生活在都市里的白領(lǐng)增添生活情趣，同時滿足實用性、景觀性和趣味性的要求，給予人們舒適、愉快的種養(yǎng)體驗。