基于跨学科视域下的生态立体种养模式

摘要

利用跨学科理论将生命科学与现代智能技术相结合，基于集成的现代智能科技模拟自然生态循环，可建立鱼类和植物的共生系统。该系统规格为长300 mm、宽300 mm、高500 mm，采用3D打印耗材并以激光切割木板的方式进行制作，主板为Arduino NANO。该系统具有手机遥控补充氧气、换水、植物补光、土壤湿度监测、喂食、实时监测温度与湿度等功能。通过这些功能，用户可以远程管理和监测鱼缸和植物的生长环境，确保其健康生长。

Graphical abstract

关键词

智能科技 / 鱼类和植物 / 共生共养 / 远程管理

智能鱼花共生系统作为一种生态立体种养模式，以跨学科理论为指导，将现代智能科技与生物科学相结合，为城市生活中家庭种养模式提供了新的思路。该系统不仅实现了鱼类和植物的共生，还通过手机遥控功能，实现了远程管理和监测，为用户提供了便利和智能化的体验。在系统设计方面，采用3D打印耗材并以激光切割木板的方式进行制作，主板为Arduino NANO，确保了系统的稳定性和可靠性。用户可以随时远程操作，具有补充氧气、换水、植物补光、土壤湿度监测、喂食等功能，对鱼类和植物生长环境实现了精准控制。这种智能化管理方式不仅提高了养殖效率，还能有效降低能源消耗，促进生态系统的平衡发展。因此，智能鱼花共生系统不仅仅是一种养殖系统，更是一种生态科技的创新应用解决方案^［1］。

1 家庭常见植物的生长环境探究

不同植物对光照、湿度、温度等环境要求各异，合理的生长环境能够促进植物的生长和发育。在智能鱼花共生系统中，用户可以通过智能系统监测土壤湿度、光强、温度等数据的变化，从而为家庭种养提供个性化的管理方案。智能鱼花共生系统，能够精准控制家庭常见植物的生长环境，不仅可以实现鱼类和植物的共生，还能够提供一个健康、稳定的生长环境，从而为用户提供便利、智能化的种养体验^［2］。

2 家庭鱼缸养鱼困境

鱼类作为家庭养殖的重要对象，其生长环境和管理是值得关注的问题。用家庭鱼缸养鱼，普遍缺乏科学的管理方法和监控手段，存在诸多困境。例如：水质不易控制，鱼类生长状况不佳；喂食和换水等操作烦琐且不及时，容易造成鱼类生长不均匀或生病。智能鱼花共生系统为这些问题的解决提供了新的方法。随着智能鱼花共生系统的引入，家庭养鱼将迎来科学、智能的管理模式，必然为家庭养鱼者提供便捷、可靠的养殖体验^［3］。

3 总体方案设计

在充分考虑到用户所处的实际生活环境和具体需求的前提下，笔者采用简便和大众化的方式进行方案设计，即以家庭常种的多肉植物为示例，同时将设计分解为硬件电路和软件部分。其系统工作结构如图1所示^［4］。

4 硬件电路

系统的硬件设备包括：Arduino NANO主控板1块、水泵1台、蓝牙模块1块、土壤湿度传感器1只、舵机2个、LCD1602屏幕1块、DHT11温湿度传感器1只、WS2812B灯带2条、锂电池1个、开关2个、按键3个、充气泵1台、马达1个、蜂鸣器1个、马达驱动器1只。硬件原理见图2。

4.1 Arduino NANO主控板

在智能鱼花共生系统中，Arduino NANO作为主控板，负责接收和处理来自各只传感器的数据，并控制水泵、充气泵、LED灯带等设备的运行，实现系统的自动化管理^［5］。

4.2 水泵和充气泵

水泵用于向鱼缸中供水，保持水质的清洁和新鲜；而充气泵则用于向水中增氧，为鱼类提供充足的氧气。在系统中，水泵和充气泵都由Arduino NANO通过PWM（脉宽调制）信号进行控制，实现流量和氧气供给的精准调节。

4.3 蓝牙模块

蓝牙模块用于实现系统与手机之间的无线通信。用户可以通过手机App向系统发送指令，控制水泵、充气泵等设备的运行，以及监测鱼类和植物的生长环境数据。蓝牙模块的引入，使得系统具备了远程管理的功能，为用户提供了便捷和智能化的操作体验。

4.4 土壤湿度传感器和DHT11温湿度传感器

土壤湿度传感器用于实时监测种植植物的土壤中水分含量，而DHT11温湿度传感器则用于测量鱼类和植物生长环境的温度和湿度。这两只传感器都与Arduino NANO相连，可将采集到的温度、湿度等数据发送给主控板进行处理。结合这些数据，系统可以自动调节水泵、充气泵和LED灯带的运行状态，确保植物和鱼类的健康生长。

4.5 LED灯带（WS2812B）

WS2812B是一款集成了RGB LED和驱动IC的智能LED灯带，可以通过Arduino NANO发送的指令进行颜色和亮度的调节。在智能鱼花共生系统中，LED灯带用于为植物提供光照，促进光合作用的发生和强化。根据用户的喜好和需求，可营造出不同的氛围和效果。

4.6 锂电池和其他电源设备

锂电池作为系统的电源设备之一，为Arduino NANO、传感器和其他设备提供稳定的电能。此外，系统中还配备了开关、按键、马达驱动器等其他电源设备，用于控制设备的开关和运行状态。

5 软件部分

本系统用到3DONE、mind+等软件，Arduino NANO主控板是智能鱼花共生系统的核心，它负责接收传感器数据并控制其他模块。系统的电源由锂电池提供，通过开关控制电源，并且用户可以通过按键输入指令到Arduino NANO。智能手机App通过蓝牙模块与主控板通信，允许用户远程管理系统。马达驱动器负责驱动马达，而蜂鸣器则提供警告信号。所有模块协同工作，确保了智能鱼花共生系统的有效运行。工作流程如图3所示。

6 系统制作及组装

将Arduino NANO主控板、水泵、蓝牙模块、土壤湿度传感器、舵机、LCD1602屏幕、DHT11温湿度传感器、LED灯带、锂电池、开关、按键、充气泵、马达、蜂鸣器、马达驱动器等硬件设备按照硬件原理图（图2）进行连接，再将程序上传主板；利用激光切割木板、打孔并用胶水粘连，再用丙烯颜料对木板涂色，如图4所示。

7 系统测试

7.1 功能测试

对系统的各个功能模块进行逐一测试：向系统中加入水和氧气，观察水泵和充气泵能否根据土壤湿度传感器和DHT11温湿度传感器的数据自动进行调节并输出；测试蓝牙模块与手机App的通信功能，确保用户可以通过手机远程控制系统；验证LED灯带的颜色和亮度调节功能，以及马达和蜂鸣器的响应效果。

7.2 稳定性测试

功能测试通过后，进行系统的稳定性测试：模拟不同环境条件和操作情况，如电源波动、蓝牙信号干扰、按键误触等，观察系统是否能够保持稳定运行，并正确响应各种指令。经长时间测试，发现系统在各种情况下都能保持良好的稳定性。

7.3 性能测试

稳定性测试通过后，对系统性能进行评估：记录系统在不同负载下的响应时间和处理速度，以及水泵、充气泵等设备的工作效率。测试结果表明，系统具有较强的处理能力和较高的工作效率，能够满足实际需求。

7.4 用户体验测试

邀请用户体验测试：用户通过实际操作和体验，对系统的易用性、便捷性和智能化程度进行评价。测试结果显示，用户对系统的整体满意度较高，认为系统操作简便、功能丰富、智能化程度高。

经过全面测试，确认智能鱼花共生系统的各项功能都能够正常运行，且具有较高的稳定性和良好的性能。同时，用户体验测试也证明，系统具有良好的易用性和便捷性。由此证明，可以将系统投入使用，从而为鱼类和植物的共生提供智能化的解决方案。

8 结语

智能鱼花共生系统通过整合Arduino NANO主控板、蓝牙模块、土壤湿度传感器、DHT11温湿度传感器、LED灯带（WS2812B）和锂电池等硬件设备，以及3DONE、mind+等软件工具，成功实现了鱼类和植物的共生。该系统能够实时监测鱼类和植物的生长环境数据，并根据数据自动调节水泵、充气泵和LED灯带的运行状态，确保植物和鱼类的健康生长；通过蓝牙模块，用户可以远程管理系统，具有更加便捷和智能化的操作体验。

在实际应用中，智能鱼花共生系统不仅可以提高鱼类和植物的养殖效率，而且能够减少人力投入和能源浪费；具有较强的适应性和可扩展性，可以根据不同用户的需求和喜好进行定制和调整；具有良好的稳定性和性能，能够长期、稳定地运行。智能鱼花共生系统是一种具有创新性和实用性的智能化解决方案，为鱼类和植物的共生共养提供了新的思路和方法。未来，随着物联网技术的不断发展和应用，该系统将得到更广泛的应用和推广。

参考文献

[1] 刘本福.变废为宝：“莲—鳖—牛”立体生态种养模式效益好：访江西省科学院生物资源研究所研究员张志红、张国华，江西省水产科学研究所水产师吴斌［J］.农村百事通，2024（04）：1-5.

[2] 张显波，罗明坤，胡锦丽，等.一种山区高产高效稻渔立体生态种养模式介绍［J］.科学养鱼，2023（06）：29-30.

[3] 徐淑英.稻鱼鳅、稻鱼甲鱼立体生态种养的效益与技术［J］.中国稻米，2023，29（01）：117-120.

[4] 洪梓榕，杜福鹏.基于arduino的鱼花共生系统设计［J］.工业设计，2017（11）：126-127.

[5] 谢全森，蔡灵，李岁艳，等.冀南地区莲藕-泥鳅-河蟹生态立体种养农业模式试验［J］.河北渔业，2021（12）：15-17，21.

基金资助

2023年贵州省教育科学规划一般课题“基于LACID理论的高中生物学跨学科学习活动设计与实践研究”(2023B127)

2022年遵义市基础教育科学研究一般课题“基于PBL-STEAM的高中生物学创新实验课程开发与应用研究”(2022ZB011)

2023年贵州省教育科学规划重点课题“基于‘PBL’教学法初中物理跨学科教学的实践研究”(2023A033)