“魚菜共生”之居家智慧生態溫室

王躍文，李峰帆，陳澤榮，吳均堯，郭潤奇，王愛文

（1 廣東科貿職業學院，510430，廣東廣州；2 邢臺學院，054001，河北邢臺）

隨著人們生活水平的提高，大家對生態環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“五位一體”的總體布局，將“生態文明”列入國家建設的總體布局中。本項目研究的居家智慧生態溫室運用魚菜共生系統，著力追求微型化、平民化，實現超集約魚菜共生。它的出現不僅可以解決過去粗放式魚菜共生系統帶來的問題，還可以實現人與自然和諧相處，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溫室將植物栽培和水產養殖兩種不同的農業技術有機融合起來，是一種生態型農業新技術[1-2]。系統外部可以通過精細設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成分的案例。早期文明出現的時候，我們的祖先就采用過將養魚與種植植物相互結合的生產方式。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。”公元1100—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展農業，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。一直到現在，大規模的發展魚和植物共同養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，我國有學者系統地開始研究魚菜共生，并且研發出我國第一臺可以供試驗的魚菜共生設備，取得了階段性成果[6]。隨后，陸陸續續有學者對其進行研究。

隨著研究的深入，以及智能化、信息化的發展，魚菜共生得到了越來越多人的關注。魚菜共生生態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系統發展。居家智慧生態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、觀賞性和經濟效益。截至2017 年，全球魚菜共生市場銷售額已經達到5.34 億美元，預測未來將以年復合成長率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，從傳統農業提升凝練發展而來的“魚菜共生”這種極為經典的農業生產模式與智能家居結合而成的居家智慧生態溫室作為魚菜共生的一種新模式，將是未來農業與居家生活結合的趨勢。

2 結構及原理

在整個養殖環境中，主要控制的是水和營養物質的循環，而這兩者的循環在整個系統中起著至關重要的作用。水或者營養物質的循環出現問題，對小型生態系統中的動植物的影響是致命的。

智慧溫室生態系統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，以保證在養魚的同時具有一定的觀賞價值。下層設置成一個小型溫室，針對這樣的系統，為了彌補日常光照不足，在系統中增加光照系統，維持整個循環系統的穩定，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，對無用的雜質進行過濾，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。

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

2.1 系統結構

整個系統采用底濾的形式，循環結構分為缸體、溢流區下水、濾缸物理區、微型溫室、水泵等五部分組成。缸體是用戶用來養魚的區域；溢流區下水是確保魚缸的水能緩慢流到過濾區的部件，當水泵停止工作時，魚缸中的水不會繼續流往過濾區；濾缸物理區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域，同時承擔過濾系統中生化區的職能，防止魚缸內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水流的循環，保證整個循環可以完整完成。結構如圖1 所示。

圖1 居家智慧生態溫室結構示意圖

2.2 工作原理

水泵轉動后，水泵中的水順著上水管流到魚缸，當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中，通過溢流區底部的下水部件流進濾缸物理區。管路加裝球閥，濾缸物理區內水位升高時，球閥會隨水位一同升高，當到達一定程度后，浮力會把球閥推到限位點，從而關閉閥門，阻止下水口繼續出水。流動水從濾缸物理區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使其保持在較低的濃度范圍內，再一次溢流過后流進水泵，完成循環。

2.3 控制設計

控制方面，通過設置單片機時鐘電路控制自動投喂器電機，可以設定電機轉動圈數、轉動時間，實現準時定量投喂飼料，解決了投放飼料時間不規律、投放量不一及長時間外出無法投放飼料等常見問題，使飼養更加科學規律，大幅提高存活率。同時增加非接觸液位傳感器負責檢測水位，水位過低則發送信號給單片機，控制閥門打開補水。

對于溫室環境的調控則采用單片機、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，能夠時刻監測溫室里蔬菜生長狀態指數，并采用環境調控裝備（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節，例如在傳感器監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，營造蔬菜生長發育的有利條件。

同時采用ESP8266 芯片在裝置中負責數據接收、處理和上傳，傳感器采集到的數據反饋到ESP8266 芯片，使用MQTT 協議，通過WIFI 模塊上傳到云服務器，使之可以通過智能終端查詢到無線傳感器網絡所采集的數據，設置參數，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 研究內容

基于植物無土栽培和魚缸底濾系統，以微型溫室替代一般魚缸底濾系統中的生化濾缸區，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物質的濃度，避免了水體的富營養化。居家智慧生態溫室實際上是一個家庭集約版的魚菜共生系統。蔬菜吸收凈化后的水再返回來養魚，發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。

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

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

在封閉式養殖系統中，代謝產物成為棘手的問題，而代謝產物中的氮危害尤其大。隨著代謝的不斷持續，產物總量積累，達到一定濃度的亞硝酸鹽及硝酸鹽呈現毒性并影響魚類生長。但是，氮作為植物生長必需的營養成分，可以將其利用，變廢為寶。魚的代謝產物為植物的生長提供了養分，在節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、無污染的高效生態養殖，為人們提供綠色無污染的農產品。不同于大自然氣候，溫室內的小氣候更多的是受到人工的干預和控制，其保溫效果的好壞主要取決于溫室設計調控和光照調控，因而溫室作物生產的成敗，與溫室性能有關。溫室性能控制的關鍵是科學地調控光照、溫度及其相互配合的調控。居家智慧生態溫室采用單片機、溫濕度傳感器、光照傳感器等配置，能夠實時監測溫室里蔬菜生長狀態指數，并采用透光材料和環境調控設備對循環系統里的各種環境因素，包括溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等進行自動控制和調節，形成局部小氣候，營造有利于蔬菜生長發育的生態溫室。

總體來說，居家智慧生態溫室的技術優勢有：

（1）種養一體，循環利用，無化肥種植。微型溫室的種植無需化肥，蔬菜所需養分來源于魚類排泄物，不需要額外補充化肥。

（2）無除草劑、農藥種植。使用循環系統，不需要使用有毒的化學農藥，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。運用納米技術可以防治魚病及進一步凈化水質，提高過濾效果，實現零排放。

（5）無需其他養分來源。魚類排泄物養分全面，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，其他養分無需額外添加。

4 結語

“魚菜共生”的居家智慧生態溫室，有助于把魚菜共生這一對生態環境有利的復合種養體系帶進千家萬戶，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，有利于生活品質的提高，同時解決了食品安全問題；為生活在都市里的白領增添生活情趣，同時滿足實用性、景觀性和趣味性的要求，給予人們舒適、愉快的種養體驗。