“鱼菜共生”之居家智慧生态温室

王跃文，李峰帆，陈泽荣，吴均尧，郭润奇，王爱文

（1 广东科贸职业学院，510430，广东广州；2 邢台学院，054001，河北邢台）

随着人们生活水平的提高，大家对生态环境的重视程度越来越高。党的十八大报告中首次提出中国特色社会主义建设“五位一体”的总体布局，将“生态文明”列入国家建设的总体布局中。本项目研究的居家智慧生态温室运用鱼菜共生系统，着力追求微型化、平民化，实现超集约鱼菜共生。它的出现不仅可以解决过去粗放式鱼菜共生系统带来的问题，还可以实现人与自然和谐相处，同时满足大部分人回归自然田园的憧憬。基于鱼菜共生的居家智慧生态温室将植物栽培和水产养殖两种不同的农业技术有机融合起来，是一种生态型农业新技术[1-2]。系统外部可以通过精细设计赋予一定的欣赏价值，旨在满足人们审美情趣的同时，也能满足人们希望在城市中拥有一片属于自己的菜园的想法。

1 发展历程

鱼菜共生在历史上一直都是有迹可循的，古人早有利用鱼的粪便为植物提供生长所需要的营养成分的案例。早期文明出现的时候，我们的祖先就采用过将养鱼与种植植物相互结合的生产方式。早在三国时期，有历史记载:“郫县子鱼黄鳞赤尾，出稻田，可以为酱。”公元1100—1350 年，南美洲阿兹特克人将植物种在用木筏等材料做成的浮岛上，利用人工浮岛的方法发展农业，称之为“奇南帕(Chinampa)”，这是最早的鱼菜共生历史记载[3]。他们的这种种植方式虽然与我们现代所说的鱼菜共生相差较大，但是属于最早对于动物植物和谐共生的一种探索。一直到现在，大规模的发展鱼和植物共同养殖种植的情况也不多，偶尔有人在这方面做小范围的尝试，很少有人全方位多角度地去研究。直到1970 年代，澳大利亚园艺工人在池塘养殖中运用鱼菜共生的这一理念，很快这一消息便在全球传开[4]。1980 年代后期有专家将蔬菜栽培到漂浮的筏上，让其在水面上生长[5]。直到1998 年，我国有学者系统地开始研究鱼菜共生，并且研发出我国第一台可以供试验的鱼菜共生设备，取得了阶段性成果[6]。随后，陆陆续续有学者对其进行研究。

随着研究的深入，以及智能化、信息化的发展，鱼菜共生得到了越来越多人的关注。鱼菜共生生态模式逐渐从实验室走近普通人的生活，逐步向家庭化、小型化的鱼菜共生智慧生态系统发展。居家智慧生态温室作为智能家居家用电器中的一种，具有非常好的实用性、观赏性和经济效益。截至2017 年，全球鱼菜共生市场销售额已经达到5.34 亿美元，预测未来将以年复合成长率15.9%成长，至2026 年达到20.16 亿美元。与此同时，我国智能家居出货量快速增长，从传统农业提升凝练发展而来的“鱼菜共生”这种极为经典的农业生产模式与智能家居结合而成的居家智慧生态温室作为鱼菜共生的一种新模式，将是未来农业与居家生活结合的趋势。

2 结构及原理

在整个养殖环境中，主要控制的是水和营养物质的循环，而这两者的循环在整个系统中起着至关重要的作用。水或者营养物质的循环出现问题，对小型生态系统中的动植物的影响是致命的。

智慧温室生态系统整体可分为鱼缸和温室两部分。鱼缸选用轻型透明且强度相对较高的材料，以保证在养鱼的同时具有一定的观赏价值。下层设置成一个小型温室，针对这样的系统，为了弥补日常光照不足，在系统中增加光照系统，维持整个循环系统的稳定，在给植物补充光照的同时，缩短了植物的生长周期。在滤缸过滤区，对无用的杂质进行过滤，将鱼的排泄物中有用的成分提供给植物生长，使鱼与无土栽培植物达到和谐共生的目的。

为了使整个系统长期稳定的工作，在鱼菜共生居家智慧生态温室上加装控制系统。在控制监控上，上位机可由电脑或者手机进行实时监控，可以方便用户对生态温室中的数据情况进行实时监控；下位机由单片机与各种类型传感器对所需要的数据进行采集，同时作出相应的控制。通过安装时间继电器，实现自动定时投喂和自动换水的功能，这些功能的实现均由单片机来进行控制。

2.1 系统结构

整个系统采用底滤的形式，循环结构分为缸体、溢流区下水、滤缸物理区、微型温室、水泵等五部分组成。缸体是用户用来养鱼的区域；溢流区下水是确保鱼缸的水能缓慢流到过滤区的部件，当水泵停止工作时，鱼缸中的水不会继续流往过滤区；滤缸物理区是承载大量过滤水和滤材的箱体，放置如白棉、伊罕石英球、麦饭石等过滤用材；微型温室为用户提供种植区域，同时承担过滤系统中生化区的职能，防止鱼缸内的鱼因新陈代谢带来的有毒的氨盐和亚硝酸盐而死亡；水泵带动整个过滤系统水流的循环，保证整个循环可以完整完成。结构如图1 所示。

图1 居家智慧生态温室结构示意图

2.2 工作原理

水泵转动后，水泵中的水顺着上水管流到鱼缸，当鱼缸的水位上升到一定程度后，超过溢流板的水就会流进溢流区中，通过溢流区底部的下水部件流进滤缸物理区。管路加装球阀，滤缸物理区内水位升高时，球阀会随水位一同升高，当到达一定程度后，浮力会把球阀推到限位点，从而关闭阀门，阻止下水口继续出水。流动水从滤缸物理区出来后通往微型温室供给蔬菜生长，同时被吸收掉有害物质使其保持在较低的浓度范围内，再一次溢流过后流进水泵，完成循环。

2.3 控制设计

控制方面，通过设置单片机时钟电路控制自动投喂器电机，可以设定电机转动圈数、转动时间，实现准时定量投喂饲料，解决了投放饲料时间不规律、投放量不一及长时间外出无法投放饲料等常见问题，使饲养更加科学规律，大幅提高存活率。同时增加非接触液位传感器负责检测水位，水位过低则发送信号给单片机，控制阀门打开补水。

对于温室环境的调控则采用单片机、温湿度传感器DHT11、光敏传感器GY-302 等配置，通过传感器和单片机之间的组网，能够时刻监测温室里蔬菜生长状态指数，并采用环境调控装备（如加热管、加湿器、补光灯等）对温度、湿度、光照、二氧化碳浓度进行自动控制和调节，例如在传感器监测到光照或者湿度不满足蔬菜正常的生长条件后，单片机自动控制补光灯或者加湿器的通电，帮助形成局部小气候，营造蔬菜生长发育的有利条件。

同时采用ESP8266 芯片在装置中负责数据接收、处理和上传，传感器采集到的数据反馈到ESP8266 芯片，使用MQTT 协议，通过WIFI 模块上传到云服务器，使之可以通过智能终端查询到无线传感器网络所采集的数据，设置参数，并进行远程控制。智能终端程序界面如图2 所示。

图2 智能终端程序界面

3 研究内容

基于植物无土栽培和鱼缸底滤系统，以微型温室替代一般鱼缸底滤系统中的生化滤缸区，在减小所需空间的同时能让蔬菜吸收水中的硝酸盐等无机物，降低了水体中硝酸盐和营养物质的浓度，避免了水体的富营养化。居家智慧生态温室实际上是一个家庭集约版的鱼菜共生系统。蔬菜吸收净化后的水再返回来养鱼，发挥一般鱼缸功能的同时还可以在鱼缸下层种植蔬菜，具有景观性和趣味性。

该系统配备多种功能传感器，能够很好地将微型生态系统中的空气温度、空气湿度、阳光照射度、水分的酸碱度等环境信息有效收集。对收集到的信息实时监控，并且在环境发生变化时及时进行调节，始终保持最佳的生长环境。除了对数据进行收集之外，利用手机可以对其进行远程智能控制，执行部件和控制节点之间能够有效控制，各个节点相互协同作用，共同完成监控与处理任务。这样也方便了都市白领在上班、出差或者出游时随时随地对家里的生态系统进行及时有效的监控。

对于这样的生态循环系统，尤其要注意以下三个问题：①随着代谢的不断持续，代谢产物对动植物生长的影响；②温室性能的合理调控；③温室循环系统的调控。针对以上问题，提出解决办法。

在封闭式养殖系统中，代谢产物成为棘手的问题，而代谢产物中的氮危害尤其大。随着代谢的不断持续，产物总量积累，达到一定浓度的亚硝酸盐及硝酸盐呈现毒性并影响鱼类生长。但是，氮作为植物生长必需的营养成分，可以将其利用，变废为宝。鱼的代谢产物为植物的生长提供了养分，在节约成本的同时提供了无污染的有机肥料，达到物尽其用、零排放、无污染的高效生态养殖，为人们提供绿色无污染的农产品。不同于大自然气候，温室内的小气候更多的是受到人工的干预和控制，其保温效果的好坏主要取决于温室设计调控和光照调控，因而温室作物生产的成败，与温室性能有关。温室性能控制的关键是科学地调控光照、温度及其相互配合的调控。居家智慧生态温室采用单片机、温湿度传感器、光照传感器等配置，能够实时监测温室里蔬菜生长状态指数，并采用透光材料和环境调控设备对循环系统里的各种环境因素，包括温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等进行自动控制和调节，形成局部小气候，营造有利于蔬菜生长发育的生态温室。

总体来说，居家智慧生态温室的技术优势有：

（1）种养一体，循环利用，无化肥种植。微型温室的种植无需化肥，蔬菜所需养分来源于鱼类排泄物，不需要额外补充化肥。

（2）无除草剂、农药种植。使用循环系统，不需要使用有毒的化学农药，且无土栽培，不长杂草，无需除草剂。

（3）无土栽培。微型温室采用无土化栽培，规避了土壤污染和病虫危害，降低了病虫害威胁。

（4）运用纳米技术。运用纳米技术可以防治鱼病及进一步净化水质，提高过滤效果，实现零排放。

（5）无需其他养分来源。鱼类排泄物养分全面，富含蔬菜生长所需的各种中量元素及微量元素，铁元素含量不足可通过往鱼饲料添加螯合铁来补充，其他养分无需额外添加。

4 结语

“鱼菜共生”的居家智慧生态温室，有助于把鱼菜共生这一对生态环境有利的复合种养体系带进千家万户，改善人们的生活；在具有观赏价值的同时兼具为人们提供绿色健康的蔬菜的功能，有利于生活品质的提高，同时解决了食品安全问题；为生活在都市里的白领增添生活情趣，同时满足实用性、景观性和趣味性的要求，给予人们舒适、愉快的种养体验。