智能换水水族箱（一）

仁济医院靓次伯纪念中学综合科学科及生物科希望把生物多样性、生态学及海洋保育等元素引入校内 STEM 课程。其中一个重要因素是让较多同学能接触不同水生生物，唯外出考察的次数及参与人数始终有限，故于校内设置水族箱更易达至理想效果。

于展开水族箱计划前的工作小组中有同学提出，当学校长假期期间，工作小组成员不能每天回校处理水族箱之日常维护，会令水族箱中出现不利生物生存的极端环境。正好 STEM 其中一大理念就是要拆解难题，于是工作小组便展开制作自动换水水族箱的计划。

拆解任何时间地点换水

打理水族箱一向不是一件易事，如果因工作或外游时长期不在家中，水族箱中可爱的鱼儿更是岌岌可危。水族箱日常维护中，其中一样既重要亦艰钜的便是为水族箱换水。我们设计的换水系统省却每次接驳来去水喉的麻烦，并利用超声波测距器确保准确的换水量，更以网络连接系统至智能手机应用程序，让我们只要连接互联网便能为家中水族箱中的成员打理居所。

智能手机 App + 物联网（IoT）+ Arduino 编程 = 随时随地设置换水

换水的科学！

水族箱一般都会有一个完善的过滤系统使水质保持洁净，但我们仍必须定时把系统中部分的水换掉，背后到底有什么原因呢？

水族箱中生物的排泄物、未被进食的鱼粮及一些死去的生物都是水族箱内废物的来
源，这些废物最终生成氨（Ammonia, NH3），氨会对水中生物造成致命的影响。

现代水族过滤系统中，其中一个最有效的过滤方法是利用生物性过滤以分解水中的有害物质。生物性过滤的最主要核心是培养硝化细菌，建立硝化系统来维护水质平衡。

硝化系统中的亚硝酸细菌能把氨先分解成毒性较低的亚硝酸盐（Nitrite, NO2-），然后再由硝酸细菌把亚硝酸盐分解成无毒的硝酸盐（Nitrate, NO3-）。

虽然硝酸盐没有毒性，对水族箱中生物的影响较低，但过高的浓度仍会影响生物的生长，某些生物亦会对硝酸盐较敏感（如珊瑚、水晶虾等），所以硝酸盐的积聚仍是一个问题。

一般水族箱的系统不能有效减少硝酸盐，所以我们要定期换水，把积聚了的硝酸盐清理。

原理及运作

系统以预先装好的两个水底水泵运作，其中一个水泵能把水族箱中的污水抽走，由水管送至排水口。因水族箱内生物不能适应太大的水质变化，所以每次换水的分量不能太多，系统中设有超声波测距器以监控换水量。当水量下降，令水面与测距器之间达至预定距离，水泵会停止排走水族箱内污水，同时启动另外一个置于储水箱中的水底水泵。储水箱中的洁净水便会由水泵引入至水族箱中，此时超声波测距器会继续监测水面与测距器间的距离。当水位上升至预设距离，储水箱中的水泵便停止，以防止水量过多而溢出，整个换水过程亦完结。

换水系统的原理及运作展示图。

利用水底水泵抽水。

以超声波测距器测量水面与测距器之间的距离以监控换水量。

两个水泵分别由 Arduino 编程控制开关以确保准确的换水量。

下星期将讲解 Arduino 及相关感应器，请继续留意。