一种智能鱼缸云托管系统及水质调节方法与流程
本发明涉及智能鱼缸技术领域以及物联网技术领域。
背景技术：
鱼缸又称水族箱，用来模拟鱼类的生态环境，为鱼类提供良好的饲养环境，鱼缸模拟出的生态环境越稳定，鱼类的生长越健康，存活率越高，而鱼缸水质的好坏对模拟出的生态环境起到了至关重要的作用。
随着我国经济的发展和我国人民经济水平的大幅度提高，近年来，人们对鱼类的养殖非常热爱，尤其是外形艳丽的热带鱼，花费大量的精力来保证鱼类的成活率，然而根据调查数据显示，超过50％的鱼类会在一年内死亡，帮助饲养者降低鱼的死亡率无疑具有巨大市场潜力。
随着科学技术的进步，不断涌现出基于智能手机的智能鱼缸来协助人工养鱼，现有技术中的“智能鱼缸”包括鱼缸、水质传感器(用于检测温度、含氧量、ph值、盐度等)、水质调节机构以及通信模块等，一般只是将水质传感器采集的水质参数通过互联网传输到移动终端(智能手机)，饲养者根据移动终端上显示的水质参数，对智能鱼缸进行简单的远程操控或者人工管理，比如加水、加盐、增氧等，属于半智能化，并未实现真正的全智能化。并且，某些品种鱼类的饲料，要求饲养者具有较高的专业饲养知识，然而要去积累这些饲养知识需要花费大量的时间和精力，不适应现代社会的快节奏生活，并且也容易因为饲养经验的不足，造成死亡率高的现象。一言以蔽之，现有技术中的智能鱼缸本质上还是人为管理模式，还不能完全将人类从复杂的养鱼行为中解放出来。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种智能鱼缸的水质托管系统，解决了现有技术中智能鱼缸不能完全自动的对水质进行管理，需要人工进行参与的技术问题，实现了智能鱼缸的全智能化托管。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种智能鱼缸云托管系统，包括智能鱼缸，所述智能鱼缸包括鱼缸处理器、水质传感器以及与水质传感器相应的水质调节机构，还包括云服务器与智能手机，所述智能鱼缸通过通信模块将水质传感器检测到的水质参数上传至云服务器；
所述智能手机配置有养鱼参数设置模块，用于设置以下参数：鱼的品种、鱼的大小、鱼的数量以及鱼缸规格；
所述云服务器配置有以下功能模块：养鱼参数存储模块，用于存储用户智能手机上传的养鱼参数；水质分析模块，用于根据智能鱼缸上传的水质参数分析出水质状态；水质调节模块，用于根据水质状态以及养鱼参数计算出水质调节方案并下发给智能鱼缸。
优选的，所述水质调节机构包括ph值调节机构与盐度调节机构；所述水质传感器包括ph值传感器与盐度传感器，所述ph值传感器与盐度传感器分别将采集到的ph值与盐度测量值通过通信模块上传至云服务器，云服务器根据ph值与盐度测量值来计算水质调节方案，并将水质调节方案下发给智能鱼缸。
优选的，所述水质调节机构还包括加热棒与氧气泵；所述水质传感器还包括温度传感器与氧气传感器；所述温度传感器与氧气传感器分别将采集到的水温和含氧量发送给鱼缸处理器，鱼缸处理器根据水温控制加热棒进行加热或停止加热，根据含氧量控制氧气泵泵氧或者停止泵氧。
优选的，所述智能鱼缸的鱼缸处理器还分别信号连接有摄像头、水泵、水位传感器、led灯、自动喂食器以及显示屏。
优选的，所述智能鱼缸的通信模块包括能够与智能手机进行通信的无线通信模块；所述智能手机配置有实时视频监控模块，用于查看鱼缸内鱼类的实时状态；所述智能手机还配置有环境参数设置模块，用于设置鱼缸的环境参数，包括温度标准值、含氧量标准值、ph标准值、以及盐度阈值；所述鱼缸处理器内配置有环境参数存储模块。
与现有技术相比，本发明的智能鱼缸托管系统具有以下有益效果：
1、用户能够在智能手机上设置养鱼参数并上传给云服务器，智能鱼缸实时采集水质参数上传给云服务，云服务器根据水质参数以及养鱼参数实时计算出水质调节方案下发给智能鱼缸，智能鱼缸根据水质调节方案自动调节鱼缸水质，使得鱼缸水质能一直保持稳定的良好状态，为鱼类提供良好的生存环境，提高了养鱼存活率。
2、水质调节方案由云服务器计算，与人工依赖经验来设计水质调节方案相比，更加科学、精确；并且，使得没有饲养经验的人也能实现科学养鱼。水质调节方案的执行也由智能鱼缸自动完成，大大减轻了人工养鱼的劳动量，节省了时间和精力。
3、对鱼缸水质的调节进行分级控制，ph值调节与盐度调节由云服务器控制，温度以及含氧量由鱼缸处理器进行控制；这样，既能使温度与含氧量得到及时调节，又能减轻云服务器处理数据的负担。
4、还能实现对鱼缸的自动换水、灯光控制、自动喂食以及视频监控。
5、能通过智能手机对智能鱼缸进行环境参数设置，从而使得更换鱼类品种后，智能鱼缸能满足更换后鱼类品种的饲养环境需求。
本发明还提供了一种基于本发明的智能鱼缸云托管系统的水质调节方法，云服务器内的水质调节模块根据养鱼参数计算出ph标准值以及盐度阈值，包括以下步骤：
步骤1：ph值传感器与盐度传感器分别实时采集鱼缸水质的ph值与盐度测量值，并上传给云服务器；
步骤2：水质分析模块将ph值与ph标准值进行比较，并计算出ph偏离度，根据ph偏离度判断水质状态是否为ph值失衡，若是，进入步骤4；若否，进入步骤3；
步骤3：水质分析模块将盐度与盐度阈值进行比较并判断水质状态是否为盐度失衡，若否，结束；若是，进入步骤5；
步骤4：水质调节模块根据ph偏离度，计算出ph调节方案，将ph调节方案发送给智能鱼缸，鱼缸处理器根据ph调节方案控制ph值调节机构对鱼缸水质进行ph值调节；调节完成后，回到步骤1；
步骤5：水质调节模块根据盐度测量值计算出盐度调节方案，并发送给智能鱼缸，鱼缸处理器根据盐度调节方案对鱼缸水质进行盐度调节；调节完成后，回到步骤1。
优选的，步骤4中，水质调节模块按如下方式计算ph调节方案：
将ph偏离度分为四个等级：一级ph偏离度落在[-0.2,0.2]范围内，二级ph偏离度落在[-0.4,-0.2)∪(0.2,0.4]范围内，三级ph偏离度落在[-0.6，-0.4)∪(0.4,0.6]范围内，四级ph偏离度落在(-∞，-0.6)∪(0.6，+∞)；
当水质分析模块判定ph偏离度为一级偏离度时，水质调节模块按照如下公式计算缓冲物质加入量vh，单位为ml，vh＝k|10-ph标准值-10-ph值|vg/ch；
其中，k为盛水系数，k＞0；vg为智能鱼缸的容积，vg根据养鱼参数中的鱼缸规格计算得出，单位为ml；ch为缓冲物质浓度，单位为mol/l；
当水质分析模块判定ph偏离度为二级ph偏离度时或三级ph偏离度时，
水质调节模块根据以下公式计算换水量vh，vh＝λkvg；其中，k为盛水系数，vg为智能鱼缸的容积；λ为换水系数，当为二级ph偏离度时，λ＝0.125；当为三级ph偏离度时，λ＝0.25；当为四级ph偏离度时，λ＝0.5。
优选的，步骤5中水质调节模块按照如下方式计算盐度调节方案：
盐度传感器包括电导仪与密度计，电导仪测出盐度值为q，盐度阈值为[tmin,tmax]，其中，tmin＝qmin，tmax＝qmax，qmin为最小盐度值，qmax为最大盐度值；密度计测出智能鱼缸的水质密度为ρ，单位为g/cm3；
当q＜tmin时，水质调节模块按如下公式计算海盐投放量ms，单位为g：
当q＞tmax时，水质调节模块按如下公式计算淡水加入量ma，单位为g：
优选的，盐度传感器为密度计，密度计测出智能鱼缸的水质密度为ρ，单位为g/cm3；盐度阈值为[tmin,tmax]，其中，tmin＝ρmin，tmax＝ρmax，ρmin为最小密度值，ρmax为最大密度值；
当ρ＜tmin时，水质调节模块按如下公式计算海盐投放量ms，单位为g：
ms＝k(ρmax-ρ)vg，其中，k为盛水系数，k＞0；vg为智能鱼缸的容积，单位为ml；；
当ρ＞tmax时，水质调节模块按如下公式计算淡水加入量ma，单位为g：
ma＝50mbc，其中，mbc为海盐超标量，mbc＝k(ρ-ρmax)vg，其中，k为盛水系数，k＞0；vg为智能鱼缸的容积，单位为ml。
与现有技术相比，本发明的水质调节方法具有以下有益效果：
1、综合考虑ph值调节与盐度调节的相互影响，优先调节进行ph调节，ph达到平衡状态后，再进行盐度调节，避免盐度调节对ph调节造成过大的影响。
2、在ph调节时，采用逐级调节的方式，当ph失衡较严重时，即ph偏离度为二、三级时，先进行换水处理，快速调节ph，满足刚需；由于换水处理只能使ph值无限接近ph标准值，无法达到ph标准值，因此当ph偏离度调节到一级时，再加入缓冲物质进行缓慢调节，使鱼缸水质逐渐达到ph标准值，实现精确调节。
3、对盐度调节，采用盐度法调节时，需要用到电导仪和密度计，测量更加精确，能够提高盐度调节的精度；采用密度法调节时，只需要用密度计，能够降低成本。
附图说明
图1是具体实施方式1中智能鱼缸云托管系统的结构示意图；
图2是具体实施方式1中水质调节方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式1
如图1所示，一种智能鱼缸云托管系统，包括智能鱼缸，所述智能鱼缸包括鱼缸处理器、水质传感器以及与水质传感器相应的水质调节机构，还包括云服务器与智能手机，所述智能鱼缸通过通信模块将水质传感器检测到的水质参数上传至云服务器；
所述智能手机配置有养鱼参数设置模块，用于设置以下参数：鱼的品种、鱼的大小、鱼的数量以及鱼缸规格；
所述云服务器配置有以下功能模块：养鱼参数存储模块，用于存储用户智能手机上传的养鱼参数；水质分析模块，用于根据智能鱼缸上传的水质参数分析出水质状态；水质调节模块，用于根据水质状态以及养鱼参数计算出水质调节方案并下发给智能鱼缸。
本具体实施方式中，所述水质调节机构包括ph值调节机构与盐度调节机构；所述水质传感器包括ph值传感器与盐度传感器，所述ph值传感器与盐度传感器分别将采集到的ph值与盐度测量值通过通信模块上传至云服务器，云服务器根据ph值与盐度测量值来计算水质调节方案，并将水质调节方案下发给智能鱼缸。
本具体实施方式中，所述水质调节机构还包括加热棒与氧气泵；所述水质传感器还包括温度传感器与氧气传感器；所述温度传感器与氧气传感器分别将采集到的水温和含氧量发送给鱼缸处理器，鱼缸处理器根据水温控制加热棒进行加热或停止加热，根据含氧量控制氧气泵泵氧或者停止泵氧。
本具体实施方式中，所述智能鱼缸的鱼缸处理器还分别信号连接有摄像头、水泵、水位传感器、led灯、自动喂食器以及显示屏。
本具体实施方式中，所述智能鱼缸的通信模块包括能够与智能手机进行通信的无线通信模块；所述智能手机配置有实时视频监控模块，用于查看鱼缸内鱼类的实时状态；所述智能手机还配置有环境参数设置模块，用于设置鱼缸的环境参数，包括温度、含氧量、ph值、以及盐度；所述鱼缸处理器内配置有环境参数存储模块。
用户首先通过智能手机设置养鱼参数，云服务器接受到养鱼参数，并根据养鱼参数中的鱼缸规格(鱼缸的长宽高)计算出鱼缸体积vg，根据鱼的品种计算出ph标准值、盐度阈值以及温度标准值，并根据鱼的数量以及鱼的品种计算出含氧量。云服务器将温度标准值、含氧量标准值、ph标准值、以及盐度阈值下发给智能手机，智能手机通过参数设置模块设置以上环境参数并发送给智能鱼缸，智能鱼缸接受并将以上环境参数显示在显示屏上。鱼缸处理器根据温度标准值以及含氧量标准值控制温度和含氧量，云服务器根据ph标准值以及盐度阈值控制ph值与盐度。
智能鱼缸的水位传感器实时检测鱼缸水位，并将水位数据发送给鱼缸处理器，鱼缸处理器根据水位数据控制水泵给鱼缸加上、换水或抽水。摄像头实时采集鱼缸内鱼儿的视频，以供用户实时观看鱼儿的状态。鱼缸处理器控制自动喂食器给鱼儿进行喂食，能够根据鱼儿的生理状态来增加或减少喂食量。
如图2所示，本具体实施方式中，智能鱼缸云托管系统的水质调节方法，云服务器内的水质调节模块根据养鱼参数计算出ph标准值以及盐度阈值，包括以下步骤：
步骤1：ph值传感器与盐度传感器分别实时采集鱼缸水质的ph值与盐度值，并上传给云服务器；
步骤2：水质分析模块将ph值与ph标准值进行比较，并计算出ph偏离度，根据ph偏离度判断水质状态是否为ph值失衡，若是，进入步骤4；若否，进入步骤3；
步骤3：水质分析模块将盐度与盐度阈值进行比较并判断水质状态是否为盐度失衡，若否，结束；若是，进入步骤5；
步骤4：水质调节模块根据ph偏离度，计算出ph调节方案，将ph调节方案发送给智能鱼缸，鱼缸处理器根据ph调节方案控制ph值调节机构对鱼缸水质进行ph值调节；调节完成后，回到步骤1；
步骤5：水质调节模块根据盐度测量值计算出盐度调节方案，并发送给智能鱼缸，鱼缸处理器根据盐度调节方案对鱼缸水质进行盐度调节；调节完成后，回到步骤1。
本具体实施方式中，步骤4中，水质调节模块按如下方式计算ph调节方案：
将ph偏离度分为四个等级：一级ph偏离度落在[-0.2,0.2]范围内，二级ph偏离度落在[-0.4,-0.2)∪(0.2,0.4]范围内，三级ph偏离度落在[-0.6，-0.4)∪(0.4,0.6]范围内，四级ph偏离度落在(-∞，-0.6)∪(0.6，+∞)；
当水质分析模块判定ph偏离度为一级偏离度时，水质调节模块按照如下公式计算缓冲物质加入量vh，单位为ml，vh＝k|10-ph标准值-10-ph值|vg/ch；
其中，k为盛水系数，k＞0；vg为智能鱼缸的容积，vg根据养鱼参数中的鱼缸规格计算得出，单位为ml；ch为缓冲物质浓度，单位为mol/l；
当水质分析模块判定ph偏离度为二级ph偏离度时或三级ph偏离度时，
水质调节模块根据以下公式计算换水量vh，vh＝λkvg；其中，k为盛水系数，vg为智能鱼缸的容积；λ为换水系数，当为二级ph偏离度时，λ＝0.125；当为三级ph偏离度时，λ＝0.25；当为四级ph偏离度时，λ＝0.5。
本具体实施方式中，步骤5中水质调节模块按照如下方式计算盐度调节方案：
盐度传感器包括电导仪与密度计，电导仪测出盐度值为q，盐度阈值为[tmin,tmax]，其中，tmin＝qmin，tmax＝qmax，qmin为最小盐度值，qmax为最大盐度值，当饲养的鱼类为海水鱼时，qmin＝3.3％，qmax＝3.5％，盐度阈值表示为[3.3％,3.5％]；密度计测出智能鱼缸的水质密度为ρ，单位为g/cm3；
当q＜tmin时，水质调节模块按如下公式计算海盐投放量ms，单位为g：
当q＞tmax时，水质调节模块按如下公式计算淡水加入量ma，单位为g：
具体实施方式2
与具体实施方式1所不同的式，本具体实施方式采用密度法进行盐度调节，步骤5中水质调节模块按照如下方式计算盐度调节方案：
盐度传感器为密度计，密度计测出智能鱼缸的水质密度为ρ，单位为g/cm3；盐度阈值为[tmin,tmax]，其中，tmin＝ρmin，tmax＝ρmax，ρmin为最小密度值，ρmax为最大密度值，当饲养的鱼类为海水鱼时，ρmin＝1.020g/cm3，ρmax＝1.023g/cm3，盐度阈值表示为[1.020,1.023]；
当ρ＜tmin时，水质调节模块按如下公式计算海盐投放量ms，单位为g：
ms＝k(ρmax-ρ)vg，其中，k为盛水系数，k＞0；vg为智能鱼缸的容积，单位为ml；
当ρ＞tmax时，水质调节模块按如下公式计算淡水加入量ma，单位为g：
ma＝50mbc，其中，mbc为海盐超标量，mbc＝k(ρ-ρmax)vg，其中，k为盛水系数，k＞0；vg为智能鱼缸的容积，单位为ml。
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