孙思文 邢佳铭

摘  要：该课题研究了一种智能水族箱，可及时收集并去除水族箱中观赏鱼的排泄物，并通过单片机控制实现自动投饵、水质检测、增氧控温等功能，通过水质管理的信息交互，提升观赏鱼饲养的操作体验，降低饲主饲养观赏鱼的精力投入。应用无人机倾斜摄影立体成像技术，使用无人机作为飞行平台采集松花江阳明滩大桥的多视影像数据，构建景点三维模型数据，并通过3D打印技术制造出景点的实物模型作为水族箱主景观。

关键词：智能化;水族箱;定制化景观

Abstract：This subject studies an intelligent aquarium that can collect and remove feces of ornamental fish in the aquarium in a timely manner，and implement functions such as automatic bait feeding，water quality detection，and oxygen and temperature control through single-chip control. Through the information exchange of water quality management，the operation experience of ornamental fish feeding was improved，and the energy input of feeding ornamental fish was reduced. Using UAV tilt photography stereo imaging technology，using UAV as flight platform to collect the multi-view image data of Songhua River Yangmingtan bridge，construct the 3D model data of scenic spot，and make the physical model of scenic spot as the main landscape of aquarium through 3D printing technology.

Keywords：intelligent;aquarium;customized landscape

0  引  言

我國自古便有饲养观赏鱼的习惯，饲养观赏鱼一直被视为吉祥的象征。据了解，全世界现有3亿多个水族箱，约2亿家庭有饲养习惯。目前世界观赏渔业正以每年10%的速度增长，英国有14%的家庭、美国有15%的家庭、日本有16%的家庭将观赏鱼作为宠物在饲养，美国有12 000万户家庭拥有水族箱，占全美家庭总数的15%。我国以观赏鱼为龙头的水族产业发展虽是近十来年的事，规模也还不大，但其蕴含了巨大的发展潜力[1]。在观赏鱼的日常饲养中，水质管理是一个非常重要的环节。通过调查，我们知道消费者养不易饲养观赏鱼的主要原因是水族箱水质管理不当，导致水体恶化、鱼类不适应水环境，进而导致观赏鱼感染疾病或死亡[2]。同时，对于水族箱景观方面，传统的水族箱造景多采用现成的枯木、石材等作为景观的主体，为探索新的景观制作方法，体现养鱼者的兴趣个性，本研究结合倾斜摄影技术与3D打印技术制造定制化的水族箱景观。

1  研究现状

本课题对传统水族箱进行改良，因此，笔者以问卷形式对观赏鱼养殖用户进行了市场调查，发现传统的养殖模式存在以下问题。通过数据统计发现，传统水族箱饲养方式存在着三大弊端，被用户诟病。

（1）主人因工长期外出，导致水族箱中的水无法得到及时更换;

（2）观赏鱼饲养知识匮乏，鱼易得病，生病后没有良好解决办法;

（3）频繁换水、每日要抽吸观赏鱼排泄物，工作烦琐，难以每日坚持。

归结上述问题，内在原因是水中各种微生物的数量变化导致水体质量恶化，进而导致观赏鱼生病，频繁的死亡最终使得用户对观赏鱼的养殖兴趣消耗殆尽，放弃饲养。本课题设计出了一台具有去除排泄物、自动投饵、水质监测、增氧控温、远程观赏等功能的水族箱，进而减少人为操作的步骤，增加观赏鱼的饲养乐趣。

2  总体设计方案

笔者基于单片机控制技术及倾斜摄影技术对智能水族箱进行了研究，本课题智能水族箱的研究分为水质控制部分以及水族箱造景部分。该水族箱的水质通过物理过滤装置和单片机+物联网控制，实现快速滤除水中粪便的功能，并实现自动控制投饵，水质、温度监测，远程视频欣赏、监控等功能，实现水族箱的自动化管理;水族箱造景使用无人机倾斜摄影测绘技术，实现对偏好景观的扫描测绘，并通过3D打印机制造水族箱主景观，智能水族箱的总体设计方案如图1所示。

2.1  水质控制系统设计

水质控制系统包括水族箱体、间歇式粪便滤除装置;水族箱体的内下侧固定安装有粪便收集装置，所述粪便收集装置包括壳体、支撑网、砂石体，壳体上分别固定安装有数排漏斗体，每排漏斗体均通过水管连接，且每排水管之间不连接，每排水管都通过分水器或电磁阀单独与抽水泵相连形成水路，壳体的上端安装有支撑网，支撑网的上侧设置有砂石体。通过粪便收集装置使沉底的粪便，在水泵、抽水管、漏斗型导流和石缝通道形成的水流的带动下运动到粪便滤除装置。间歇式粪便滤除装置通过间歇式的抽吸和传送带的运送使得粪便分离，减少了鱼粪便在水流下的冲激溶解;单独设置的粪便收集容器实现了粪便和水族箱水体的彻底分离。

间歇式粪便滤除装置固定安装在水族箱体的内上侧，所述间歇式粪便滤除装置包括过滤系统、粪便收集槽、间歇过滤传送带机构;过滤系统的右侧固定安装有粪便收集槽，间歇过滤传送带机构分别设置在过滤系统与粪便收集槽的上侧，控制装置固定安装在水族箱体的外侧壁上，控制装置分别与抽水、间歇过滤传送带机构通过电路连接。如图2所示硬件结构图：1——水族箱体;2——壳体;2-1——漏斗体;3——支撑网;4——砂石体;5——水管;6——抽水泵;7——过滤系统;8——粪便收集槽;9——间歇过滤传送带机构，10——滤槽电机。

2.1.1  间歇式粪便滤除装置工作原理

在过滤槽的上方，设置由纱网制作的，两端带有传送装置的过滤传送带，在传送带的一端设置粪便收集水槽。鱼的粪便在水流的带动下，首先经过下方的支撑网、漏斗等装置，经过抽吸，通过连通的管道到达上方的过滤纱网，传送带式的纱网上面已经吸附了粪便。此时停止水泵工作，启动沙网的传送装置;粪便在沙网的带动下，运行到下方时。经收集水槽内水的浸泡，冲落在收集水槽内，完成一个工作循环，纱网停止运动，水泵启动工作，如此往复;每个工作循环控制在20秒，至鱼基本排泄完。其作用是把鱼的粪便及时清除到粪便收集槽内，实现与水体的完全分离。这样鱼的粪便从排泄到实现分离可在30秒内完成，减少了粪便在水体中的溶解。

2.1.2  智能控制系统

随着传感器技术的发展，各种环境参数信息的采集已经可以便捷地实现。本系统结合成熟的计算机信息处理技术，实现水质参数的数据采集和实时监测。用户可以通过远程监控相关设备的工作，了解水族箱的状态。通过Wi-Fi和单片机搭建多种传感器和摄像头的信息传输通道，实现远程控制和视频查看，围绕单片机搭建控制系统，主要硬件有单片机、温度传感器、pH酸碱度传感器、氨浓度传感器、亚硝酸盐浓度傳感器、氧浓度传感器;气泵、水泵、加热器;投饵装置及同步电机控制的过滤棉网传送过滤带，自动控制系统和物联控制系统。控制装置包括微控制器、两路继电器、在线编程接口、A/D转换接口、接口扩展模块、异步串口、I2C接口;单片机分别与两路继电器、在线编程接口、接口扩展模块、传送带电机电连接，两路继电器分别与抽水泵电机、滤槽电机连接，接口扩展模块分别与异步串口、A/D转换接口、I2C接口电连接[3]，滤槽电机安装在8——粪便收集槽的侧壁上。通过单片机的时钟控制水泵和纱网的协调间歇工作，并且可以与各种传感器连接，通过编程，实现物联网感知和自动控制，如图3所示控制装置电路框图。

2.2  水族箱景观设计

斜视摄像测量技术是一种基于传统摄像测量技术发展起来的新技术。它利用同一飞行平台上承载的多台影像采集设备，同时从垂直、侧向和前后等角度进行图像采集，能够比较完整的获取地面建筑物的表面纹理信息。再结合现有的、具有一致性并进行处理能力的斜视摄像数据处理软件，可实现大范围的快速构建城市三维建设模型，很大程度上提高了三维模型的构建效率[4]。

2.2.1  水族箱景观数据采集

在从实验区收集数据之前，笔者对倾斜摄影任务做了详细规划。其中规划的内容应包含：选择合理的地域作为飞行区，综合布置倾斜摄影多个控制点，制定飞行轨迹方案。本课题选取松花江作为采集点，百度卫星地图影像图，如图4所示。在做好飞行区规划、飞行轨迹设计、多个控制点布局后，选择晴朗的天气，利用无人机进行数据采集。

2.2.2  三维模型建立

空中倾斜摄影三角测量数据处理完成后，检查扫描数据质量。在确认扫描精度无误后，开始对点云数据进行封装。点云封装包括摄像机自校正计算、光束法局域网平差和多个空中三角测量。在点云数据封装之前，我们应核对以下几点：

（1）图像质量与生成的点数成正比，图像越清晰，点云数据包含的坐标越多，相应的运算时间越长;

（2）细节处理方面，我们可以根据被采集图像表面的曲率差异分批进行图像数据处理，相应的曲率高的扫描表面对应的点云数据会更多，曲率平缓的表面点云数据会相对更精简;

（3）为获取精度更高的三维数据，通常需要三张以上照片作为匹配。

但是由于摄影机角度或被测物体遮挡等原因，被动的只能选择两张照片作为匹配点时，这时便需要通过后期的点云处理软件进行数据修复，从而获得更高质量的点云数据，经过数据处理后的三维模型如图5所示。

2.2.3  水族箱主景观制造

使用倾斜摄影及三维建模后的数据，应用光敏树脂3D打印技术制作水族箱主景，光敏树脂即为紫外树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光敏（紫外光）引发剂或称为光敏剂，在一定波长的紫外光照射下立即引发聚合反应，完成固定，光敏树脂一般为液态，用于制作高强度、耐高温、防水等用途的材料[5]。水族箱主景观制造步骤如下。

（1）在计算机上使用计算机辅助设计软件，将倾斜摄影系统结构的三维模型转换成STL格式文件，把三维实体模型进行网格计划划分，准备进行分层处理;

（2）在相应的3D打印机软件中对零件CAD模型进行切割处理，使三维CAD模型变为一系列二维的平面图形状。对应每一个平面图形状，计算机生成相应的扫描轨道痕迹;

（3）光固化成型开始，根据CAD模型对树脂采取一层层叠加固化的形式进行零件打印，通过数字信号控制一定波长的光选择性辐照液态光敏树脂的表层，使其发生光交联，再通过逐层固化堆积成型实物模型;

（4）打印完成后通过高压水枪清除打印样件外表面的支撑材料，并对样件表面进行抛光、喷漆上色等后处理。

3  结  论

根据调研所发现的现有水族箱的问题，本课题以快速分离鱼所产生的粪便，减少水体中有机物的溶解、留存为主要目的，辅以水质检测、水温控制、氧含量控制、自动投饵、远程操作等为系统目标，设计出包含水质控制系统和个性化造景的智能水族箱。从根本上解决通过换水等烦琐步骤保障水质的问题，减少饲养观赏鱼的工作量;同时通过倾斜摄影测绘技术，可对用户偏好的景观及建筑数据进行采集，并通过3D打印技术，实现了定制化水族箱主景观的目的。该系统可以使用户在智能化技术的协助下更好的体验饲养观赏鱼的乐趣。

参考文献：

[1] 王德芬.让“水族”进入千家万户——我国水族产业发展有关问题的思考 [J].中国水产，2010（4）：5-10.

[2] 李光友.浅析影响养殖鱼类水体的生态因素 [J].黑龙江水产，2014（3）：10-12.

[3] 吴秦峰，王蓓，张昊，曾丛.智能水族箱控制系统的设计 [J].信息通信，2018（11）：118-119.

[4] 杨国东，王民水.倾斜摄影测量技术应用及展望 [J].测绘与空间地理信息，2016，39（1）：13-15+18.

[5] 徐锋.三维打印技术研究 [J].机械制造与自动化，2015，44（1）：98-101.

作者简介：孙思文（1987.07—），男，汉族，辽宁兴城人，工程师，研究生，研究方向：智能产品设计。