摘要：随着我国海水养殖业的迅速发展和海洋环境的不断恶化，海水养殖对海洋污染程度逐渐增加，严重破坏了海洋生态环境。为解决海洋养殖所产生的环境污染。我们依据机械原理、Arduino开发板原理等相关知识，设计了一种新型的海水养殖污染净化装置，该装置采用Arduino开发板、HC-06蓝牙模块以及蓝牙APP为控制核心，结合多种模块及传感器的方式，综合考虑了海水养殖对海洋环境的各方面因素，可实现海水养殖经济效益和海洋环境效益双赢。

关键词：海水养殖污染；生态修复机械；Arduino开发板；蓝牙APP智能控制。

中图分类号：S969.38    文献标志码：B

引言：随着海水养殖业经济的迅速发展，海水污染已引起政府的高度重视，环境保护和可持续性发展已成为我国的基本国策。从国内外针对海水养殖污染处理的情况来看，主要以海水净化剂、海水池塘养殖尾水处理、海水紫外线消毒等方式，其设备有沉水式曝气海水污染净化设备等。因其价格昂贵、功能搭配灵活性差、适用物种类型少、紫外线净化装置服务范围小，净化不够彻底。根据目前市场现有设备存在的不足，我们团队设计了一款新型海洋养殖污染净化装置，具有性价比高、可操作性强、净化效果好，为研制符合要求的海洋污染环境净化装置提供了依据。

一、研究目的和意义

（一）研究目的

海洋养殖污染净化装置的研究目的是为了解决随着海水养殖业经济的迅速发展而导致的海水污染问题，设计一种属于海洋圆形网箱养殖产生污染的生态修复机械装置。该装置具有节能环保、性价比高、可实现性高、响应国家政策，海洋环境保护领域的生态修复机械，可有效解决海水养殖污染问题。

（二）研究意义

解决海水生态环境污染问题，维持绿色生态；提供一种性价比高、可实现性强的海水净化方式；减少饵料等污染物对海洋生态系统的影响；提高饵料等药物的利用率；为研制符合要求的海洋污染环境净化装置提供了依据。

二、工作综述

（一）国内外海洋净化装置现状

1.1国内海洋净化装置现状

目前，国内海洋净化装置价格较昂贵、服务范围有限、其功能搭配灵活性差、适用物种类型少。

1.2国外海洋净化装置现状

在国外，相关资料不多。有研究所设计的水下行走机器人，虽然能够起到净化作用，但是能源、成本方面仍是一大难题。

（二）海洋养殖污染物收集问题

海洋养殖产生的废物主要包括残饵、动物的粪便和排泄物以及养殖过程中投放的肥料、消毒剂、抗生素及其他药物。从目前的养殖过程中，有一部分饵料未被鱼类等利用，饲料的损失量较高和对海水的污染程度明显。未被鱼类摄食的的饵料进入水体，较大的颗粒则沉积到海底。尽管海底沉积物中有机物和营养盐的浓度很高，但是每年只有很少的有机物被分解。这样就导致了养殖水体的富营养化，如果没有及时进行收集净化，则会导致较为严重的海洋污染。

三、设计方案介绍

本作品的机械设计部分包括圆形网箱、滚轮—双十字轴万向铰链传动组合机构、过滤收集器、二次过滤盒。

（一）基于圆形网箱养殖污染净化的智能型海洋生态修复机械装置结构设计及其工作原理

1.1基于圆形网箱养殖污染净化的智能型海洋生态修复机械装置结构设计及结构分析（本作品的机械设计部分包括圆形网箱、滚轮—双十字轴万向铰链传动组合机构，滚轮设计等）。

1.1.1 圆形网箱上设有圆弧形轨道（图一），外壳上有圆形网孔，底部横截面呈“V”字形，在底部中间设有出水口，与水泵相连接。圆形网箱受力均匀容易使外力分散，从而可以减少应力过于集中，具有较强抗风浪能力。

该装置的机械化净化部分使用了双十字轴万向铰链机构（图二），以提高装置运行的稳定性，实现定比传动。双万向铰链机构能够连接轴交角较大的相交轴或径向偏距较大的平行轴，且在运转时轴交角或偏距可以不断改变，径向尺寸小，得到广泛应用。

1.1.2“滚轮—双十字轴万向铰链传动组合机构”（图三）中设有一个滚轮组、导向滚轮、“凸”字形移动平台、毛刷清理模块、圆弧形挡板、十字轴万向联轴节、微型深沟球轴承、三脚固定支架、圆形网箱，其中JGA25-370减速电机提供驱动力。利用其结构的特点能使不在同一轴线或轴线折角较大或轴向移动较大的两轴等角速连续回转，并可靠地传递转矩和运动。其结构简单，紧凑合理，传动可靠，效率高，其传动效率达98-99.8%，用于大功率传动，节能效果明显；具有较大的角度补偿能力；承载能力大与回转直径相同的其它型式的联轴相比较，其所传递的扭矩更大，此对回转直径受限制的机械设备，其配套范围更具优越性；运载平稳，噪声低，装拆维护方便。

1.1.3轮组由一个“‘U’型凹槽轨道滚轮”和两个“导向滚轮”组成（图四），三个滚轮相互配合在圆形网箱上的圆弧形轨道上运动，由减速电机提供驱动力，从而带动机构运动。

该装置的机械化循环净化组合机构模块使用了滚轮传动机构由一个“U”型凹槽轨道滚轮、两个导向滚轮、“凸”字形移动平台以及圆形网箱上的圆弧形轨道组成.

1.1.4 毛刷清理（图五、图六）模块包括了毛刷和直线圆柱光轴，其模块功能主要围绕圆形网箱内壁进行养殖污染物的清理工作，毛刷为“人”字型，中间为圆形中空，中间与直线圆柱光轴嵌套。

1.1.5 过滤收集器（图七）可以实现对海水养殖残饵等的过滤收集，内部设有不锈钢圆形滤网，可以过滤养殖残饵、藻类等，外壳上透明，方便用户及时处理过滤物。

1.1.6 二次过滤盒

二次过滤盒（图八）的内部设有高密度过滤棉、过滤滤材，可以净化水质，去除色度，除臭杀菌，平衡PH值，吸附重金属、氨离子和亚硝酸等有害物。其外部设有出水口，以实现水循环持续净化效果。

1.2圆形网箱养殖污染净化的智能型海洋生态修复机械装置的工作原理及优点：  整个装置主要分为三大部分——系统控制部分、机械净化部分、水质检测部分以及太阳能供能部分。。其中机械净化部分则主要是由圆形网箱外壳、滚轮、毛刷、十字万向节联轴器、微型深沟球轴承、三脚固定支架、水泵、过滤收集器、二次过滤盒组成。当水质检测部分的传感器模块检测到污染信号的同时水泵也会开始工作，将养殖污染物抽到过滤收集器和二次过滤盒，过滤收集器进行残饵等的过滤收集，二次过滤盒进行二次过滤，对有害重金属和化学试剂等的净化。该装置主要采用机械化循环水净化方式，经济实用、效果明显，安全可靠。

（二）基于圆形网箱养殖污染净化的智能型海洋生态修复机械装置控制部分

设计控制结构设计

系统控制部分由Arduino开发板（图一）、HC-06蓝牙模块、无线模块、L298N电机驱动模块等组成，主要通过 Arduino开发板作为主控板，通过编写C#作为编程语言，来结合其他模块进行系统的整体控制和信息传输。

蓝牙模块（图二）构成信息传输模块，编写了上位机APP（图三）供用户使用，当用户通过APP发送信息时，HC-06蓝牙模块接收相应的信息，并通过串口通信将信号传输到开发板，使电机及水泵驱动模块进行相应的动作。同时水泵检测模块会实时将水质信息传输到开发板，开发板又通过蓝牙模块将信息反馈给用户，体现其全双工工作方式。同时用户可以知晓水质的信息。

1.1L298N驱动模块

L298N驱动模块（图四）进行控制电机驱动，该模块中H桥电路适用于控制电机正反转。水泵的驱动采用无线继电器（图五）控制，在开发板端装配有无线模块，通过无线模块的信号发送控制远端继电器的吸合与打开，从而实现对水泵工作的控制。

1.2水质检测传感器模块

水质检测通过运用两个传感器：防水型DS18B20温度传感器模块、UNO模拟TDS传感器模块防水型DS18B20温度传感器模块检测的温度范围为-55℃～+125℃，其数值单位为摄氏度，适合恶劣环境的温度测温，UNO模拟TDS传感器模块主要用于检测水体混浊度，TDS（总溶解固体）可以表明一升水中有多少毫克总溶解性固体。水质检测模块所获取的信息可以通过HC—06蓝牙模块反馈给上位机APP，用户可以通过APP实时观察海水温度及混浊度，进行水质的判断和电机及水泵的启动。

1.3供电模块

在供电方面，采用资源节约型、环境友好型的方式，利用新能源——太阳能为装置提供能量。多晶硅太阳能电池板（图十二）高效转化太阳能，安全可靠，安装相对容易，维护成本低，阴雨天也可以高效供电。可保证系统供电的可靠性和工作稳定，使装置可以在偏远或无电区域也可以正常工作，提供电力供应。同时该供能方式，不会产生任何废弃物，无噪音，不会产生温室气体和有毒气体，是理想的清洁供能方式。

四、总结与展望

根据现在国家政策的不断优化，习近平总书记的“金山银山，就是绿水青山”理念的不断深入，本装置能够充分将海水养殖污染净化，响应了可持续发展道路的口号。文中对装置的本体机械结构、动力学特性分析以及控制装置都做了初步的探索，充分的利用海洋资源对一个国家发展、民族崛起有着不可或缺的作用，而保持一个良好的海洋生态环境是整个人类的责任与义务，科学健康的养殖方式是实现海洋环境保护的基础和前提，而海水养殖污染的净化工作正是实现人与自然和谐共处的重要体现，能够有效减少海水养殖对海洋生态平衡的破坏程度，对我国海洋养殖循环水处理系统进行了有益的探索，推动我国的海洋养殖业向着健康科学的方向发展，协同推进经济社会高质量发展和生态环境高水平保护，最终实现海水养殖经济效益和海洋环境效益双赢，走出一条生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路。

参考文献：

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[9] 何丽红，朱理[M].第3版，北京：高等教育出版社，2020.

[10] GB/3097—1997《中华人民共和国国家海水水质标准》

研究项目：海水养殖污染净化装置的设计（项目编号：S202312660003）

作者简介：

蒋芸鹏（2002-），男，湖南郴州人，本科在读，研究方向：电气工程及其自动化

周涛（2000-），男，湖南衡阳人，本科在读，研究方向：机械设计及其自动化

黄雅琦（2002-），男，湖南宁乡人，本科在读，研究方向：电气工程及其自动化

徐昊（2002-），男，湖南衡阳人，本科在读，研究方向：自动化

周淮斌（2004-），男，湖南浏阳人，本科在读，研究方向：机械设计及其自动化