基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李曄 曾昂

摘要：市場上的傳統(tǒng)魚缸不能根據(jù)魚缸環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度、pH值、水位和光線，其中大部分魚缸無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換水、自動(dòng)甩油、自動(dòng)供氧等智能控制功能，無法滿足社會(huì)大眾對于魚缸的實(shí)際需求。針對這一點(diǎn)，該項(xiàng)目開發(fā)了一種集多種控制功能于一體的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用傳感器收集魚缸的溫度、pH值、水位等數(shù)據(jù)。同時(shí)，該系統(tǒng)具有自動(dòng)換水和自動(dòng)控制功能，解決了傳統(tǒng)魚缸日常生活中的問題，方便了魚類養(yǎng)殖。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能魚缸；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)路徑

一、引言

近年來，隨著科技的飛速進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，消費(fèi)觀念與以往有了很大的不同，對物質(zhì)生活和精神生活質(zhì)量的要求越來越高。作為智能產(chǎn)品，智能魚缸深受社會(huì)大眾的關(guān)注與喜愛，智能魚缸養(yǎng)殖系統(tǒng)是利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)的一種新的現(xiàn)代科學(xué)養(yǎng)殖模式。本項(xiàng)目以STM32F103單片機(jī)為控制中心，結(jié)合安卓的嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)和開發(fā)，開發(fā)出滿足功能要求的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。智能魚缸系統(tǒng)包括智能溫控系統(tǒng)、酸堿智能系統(tǒng)、自動(dòng)換水系統(tǒng)、自動(dòng)供氧系統(tǒng)、自動(dòng)供油系統(tǒng)、自動(dòng)照明系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等子系統(tǒng)，都是集成的。該系統(tǒng)通過WiFi模塊連接到移動(dòng)終端，可遠(yuǎn)程監(jiān)控魚缸溫度、pH值、水質(zhì)變化、供氧、喂食和照明。

二、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用目前對于整個(gè)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步具有重要意義，智能魚缸是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的家庭科學(xué)育種新模式，用戶可以通過遠(yuǎn)程控制了解魚缸的狀況，從而控制相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行。考慮到現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模和科學(xué)發(fā)展的要求，對水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測的最重要內(nèi)容之一就是對其狀況進(jìn)行監(jiān)測。水產(chǎn)養(yǎng)殖的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)包括水溫、pH值、溶解氧和透明度。不同水生動(dòng)物對水質(zhì)參數(shù)有不同的要求，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，獲得不同類型的傳感器信息是可行的。結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖專家介紹，通過對加熱裝置、水處理裝置和充氧設(shè)備的控制，改善水質(zhì)，以適應(yīng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的需要，形成知識(shí)密集、自動(dòng)化的水產(chǎn)養(yǎng)殖[1]。

本系統(tǒng)采用STM32晶體作為主控制模塊，傳感器模塊收集數(shù)據(jù)并返回主控制芯片來控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。魚缸的狀態(tài)顯示在屏幕上，并傳輸?shù)絎iFi模塊傳輸?shù)揭苿?dòng)終端。通過研究設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)的需求進(jìn)行了詳細(xì)的討論研究，詳細(xì)介紹了各硬件模塊的具體組成部分、正確的芯片選擇、電路的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)等，以及軟件的邏輯分析和合理的實(shí)現(xiàn)方案，

三、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚缸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）水循環(huán)模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)

氧氣是魚類在水中生存的重要元素，足夠的氧氣可以提高魚的存活率，在沒有外界幫助的情況下，主要的氧氣來源是水的交換、表面和空氣的接觸以及魚缸中的水生植物。因此，為了增加水族箱中溶解的水氧，安裝了氣泵；泵可以將泵排出水中，然后注入魚缸。在流動(dòng)過程中，水增加了與空氣的接觸，增加了氧氣，系統(tǒng)氣泵采用立式微型直流電機(jī)，直流電源電壓為4.5V，水循環(huán)由單片機(jī)控制。由于單片機(jī)輸出電流小，不能直接控制直流電流，因此，在電動(dòng)機(jī)和單片機(jī)之間增加了驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)收到下級機(jī)床打開水循環(huán)開關(guān)的信號(hào)時(shí)，下級機(jī)的輸出孔水平高，NPN三極管處于ON模式，在水泵中旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)；收到關(guān)機(jī)信號(hào)時(shí)，端口輸出低，三極管斷開，直流電機(jī)停止，驅(qū)動(dòng)電路中的二極管是連續(xù)流二極管，當(dāng)輸入三極管電壓變?yōu)?時(shí)，三極管突然由飽和狀態(tài)變?yōu)橛邢逘顟B(tài)，直流電機(jī)兩側(cè)將產(chǎn)生大的反向電動(dòng)勢，電壓超過100伏。這種電壓在三極管觸發(fā)時(shí)會(huì)損壞三極管，因此，二極管斷路器充當(dāng)三極管的保護(hù)[2]。

（二）控制模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)

控制模塊由智能遙控套接字組成，只有外部設(shè)備必須連接到ROW插座。每個(gè)插座連接到5V繼電器模塊，水族箱環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié)是通過終端的數(shù)字I/O開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，這些開關(guān)觸發(fā)高水平的繼電器，同時(shí)也通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的?？刂颇K采用高水平5V光絕緣起動(dòng)繼電器模塊，光絕緣使觸發(fā)器更加安全可靠，高電平觸發(fā)器是指當(dāng)觸發(fā)器末端有輸入的高電時(shí)，繼電器就被打開。該系統(tǒng)將插頭繩連接到總端，插頭繩的端部連接到普通的封閉端。在系統(tǒng)中，繼電器等同于自動(dòng)關(guān)機(jī)，設(shè)備的遠(yuǎn)程控制由Zigbeecc2530實(shí)現(xiàn)，它控制每個(gè)繼電器的高、低啟動(dòng)水平。

（三）識(shí)別模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)

HBR640語音識(shí)別同步模塊，該模塊使用HBR640模塊存儲(chǔ)斷電后可以存儲(chǔ)的閃存數(shù)據(jù)。工作時(shí)不需要更改語音命令。繼電器的開啟和關(guān)閉由語音命令控制，由于語音通信模塊提供了更高的識(shí)別精度和功能，因此用戶無需記錄學(xué)習(xí)材料，只需輸入一個(gè)聲音詞或一個(gè)可以識(shí)別的單詞。找到的關(guān)鍵字可以以字符串的形式傳輸?shù)叫酒?，例如，在芯片控制程序中，如果安裝了芯片寄存器，它可以將光、加熱等識(shí)別關(guān)鍵字動(dòng)態(tài)傳輸?shù)叫酒?，芯片可以識(shí)別這樣的關(guān)鍵字設(shè)置，并啟用燈泡加熱裝置[3]。

（四）水溫模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)

該系統(tǒng)應(yīng)測量水族箱水溫，并直接引導(dǎo)到水族箱水深。因此，采用了DS18B20數(shù)字防水溫度傳感器，通過傳感器適配器添加拖放電阻，并與CC2530端口建立I/O數(shù)字連接。DS18B20包括溫度傳感器、溫度報(bào)警觸發(fā)器、寄存器和64位ROM，有三個(gè)輸出：DQ、GND和VDD。其中DQ是數(shù)字I/O終端，GND是電源接地，VDD是外部電源的輸入端子，數(shù)字溫度傳感器DS18B20具有單線接口，通過適配器連接到數(shù)字I/O CC2530端口的DQ終端讀取溫度數(shù)據(jù)。同時(shí)，ROM有唯一的64位序列號(hào)，可以分布在同一總線上進(jìn)行溫度測量，其電源范圍為3.0V～5.5V，可通過數(shù)據(jù)線直接供電，溫度測量范圍從-55℃到+125℃，適用于魚缸的水溫測量，因?yàn)轸~通常能承受0℃到35℃的溫度。此外，DS18B20的最大測量延遲為750ms，在-10～+85℃范圍內(nèi)的測量精度為±0.5℃，可調(diào)分辨率為9～12位。DS18B20具有短時(shí)延時(shí)和高精度的特點(diǎn)，適用于溫度測量和實(shí)時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)，

（五）光照模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)

充足的照明不僅有利于魚類的新陳代謝，而且有利于自來水中氯的蒸發(fā)，殺死水中的有害細(xì)菌。照明控制模塊允許實(shí)時(shí)檢測魚缸環(huán)境中的光強(qiáng)度；當(dāng)光的強(qiáng)度低于魚缸所需時(shí)，較低水平的計(jì)算機(jī)打開光源，提供足夠的光來刺激魚類和水生植物的生長。在本項(xiàng)目中，BH1750傳感器用于檢測光照。它是集成在16位電路轉(zhuǎn)換模塊中的通用照明控制模塊；直接數(shù)字輸出，減少冗余計(jì)算，對光譜特性的視覺靈敏度；它可以測量光強(qiáng)度在寬范圍內(nèi)的變化。測量光照范圍1～65 lux，測量精度可達(dá)1lux。通過降低功率，達(dá)到低電流，傳感器模塊不易受到紅外輻射的影響[4]。

（六）水濁模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為了測量水族箱的水混濁度，系統(tǒng)使用水混濁傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測?；鞚醾鞲衅鞑捎霉鈱W(xué)原理，由于懸浮粒子在水中的影響，光線進(jìn)入時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，因此，通過對水體中光速和散射的測量結(jié)果，可以計(jì)算出水體中懸浮顆粒的含量，即水體中懸浮顆粒的含量。內(nèi)部傳感器主要由紅外對、透明光電元件和散射光電元件組成。當(dāng)光通過水體時(shí)，部分被吸收和散射，散射光被光電元件接收，另一部分被透射光接收。在水渾濁度高、透光性少的情況下，測量的電流較小，通過電阻分別將電壓轉(zhuǎn)換為0V～5V較小。水濁度單位為NTU，1NTU=1mg/L懸浮顆粒，根據(jù)測量結(jié)果，1000NTU時(shí)濁度約為35.5%，3000 NTU時(shí)濁度約為67.2%。因此，當(dāng)水沉降小于1000NTU時(shí)，為低濁度；水的平均濁度在1000NTU和3000NTU之間；當(dāng)水的混濁率高于30000 NTU時(shí)，則為高混濁度，傳感器模塊由混濁傳感器和AD輸出選擇模塊組成，模擬值輸出電壓為0V～4.5V，數(shù)字值輸出高度信號(hào)。該系統(tǒng)選擇模擬輸出，由模塊化轉(zhuǎn)換器處理，并連接到數(shù)字I/O CC2530端口，實(shí)現(xiàn)水濁度實(shí)時(shí)測量。

（七）水位模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)

確保魚缸水位是智能魚缸系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，只有足夠的水，魚才能有足夠的回旋余地。超聲波測距儀HC-SR04用于測定水位，HC-SR04超聲測距模塊是一種非接觸式測距傳感器，測量范圍為2～400cm。測量范圍可以通過模塊上的電阻來調(diào)整。模塊中的電阻越大，測量距離越大，檢測角度越大。最大探測距離為7米，為保證探測距離精度，總電阻調(diào)節(jié)范圍為20～75kQ，射程精度可達(dá)3毫米。

該模塊具有工作電壓寬度大、頻率高、波長短、方向性好等特點(diǎn)，整個(gè)模塊由超聲波發(fā)射、接收和控制電路三部分組成。當(dāng)脈沖信號(hào)到達(dá)水面時(shí)，信號(hào)返回，接收端檢查回波信號(hào)并輸出回波信號(hào)；回波信號(hào)接收的脈沖寬度與測量的水位距離成正比。當(dāng)水位低于設(shè)定值時(shí)，底部機(jī)構(gòu)通過殼牌平臺(tái)向設(shè)備末端發(fā)出警報(bào)，警告用戶及時(shí)補(bǔ)充水，以確保足夠的水位[5]。

四、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚缸系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)路徑

（一）主程序?qū)崿F(xiàn)路徑

該系統(tǒng)以ArduinoUr3為控制中心，實(shí)時(shí)采集魚缸水溫、室內(nèi)濕度、照明強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。用戶可以通過控制終端實(shí)時(shí)查看魚缸環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過控制終端引導(dǎo)相關(guān)控制指令。用戶可以使用專家系統(tǒng)分析這些數(shù)據(jù)，通過恒溫器和由三個(gè)部件組成的循環(huán)供氧過濾器連接到控制設(shè)備。直流電機(jī)（智能電源系統(tǒng)）等設(shè)施可實(shí)施自動(dòng)合理的調(diào)控，使魚類的生存條件始終處于最佳狀態(tài)，達(dá)到智能魚缸的目的。

（二）服務(wù)器實(shí)現(xiàn)路徑

云服務(wù)器在將多個(gè)協(xié)議連接到OneNet平臺(tái)時(shí)使用EDP協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)用與實(shí)際設(shè)備之間建立高效、穩(wěn)定、安全的應(yīng)用平臺(tái)：面向設(shè)備，適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和通用傳輸協(xié)議，為各種硬件終端提供快速的解決方案和設(shè)備管理服務(wù)；面向應(yīng)用層，提供豐富的API和數(shù)據(jù)傳播能力，滿足不同行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)需求，不需要關(guān)注設(shè)備連接的生態(tài)層建設(shè)，縮短了系統(tǒng)形成周期，降低了研發(fā)成本。EDP協(xié)議適用于需要包含長接觸點(diǎn)來控制點(diǎn)的硬件和平臺(tái)。基于TCP協(xié)議的協(xié)議只規(guī)定將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康牡?，并不能保證傳輸順序與到達(dá)順序相同，這與頂層服務(wù)機(jī)制相同；如果客戶端同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)請求，則返回服務(wù)器時(shí)不會(huì)保證返回消息的順序。EDP協(xié)議適用于永久連接報(bào)告、透明傳輸和傳輸、存儲(chǔ)、活動(dòng)數(shù)據(jù)分發(fā)等情況。

要在OneNet上創(chuàng)建產(chǎn)品，請選擇公共協(xié)議連接產(chǎn)品，選擇WiFi連接網(wǎng)絡(luò)，選擇ESP266作為模塊，選擇EDP 5作為硬件訪問協(xié)議，創(chuàng)建產(chǎn)品后創(chuàng)建硬件，為公眾設(shè)置數(shù)據(jù)隱私，創(chuàng)建硬件后創(chuàng)建應(yīng)用程序，據(jù)此，對水族箱溫度、室內(nèi)溫度和大氣濕度進(jìn)行記錄，編輯應(yīng)用界面，設(shè)置相應(yīng)的圖形按鈕，修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)命令參數(shù)按鈕，這些按鈕可以從計(jì)算機(jī)網(wǎng)站輸入到OneNet平臺(tái)，進(jìn)入水族箱控制系統(tǒng)的控制界面，來控制魚缸的數(shù)據(jù)[6]。

（三）上位機(jī)實(shí)現(xiàn)路徑

上位機(jī)利用HTTTP協(xié)議調(diào)用OneNet平臺(tái)API，實(shí)時(shí)更新魚缸數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)采集時(shí)間，并在文本文檔或本地SQLServer數(shù)據(jù)庫中實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。用戶還可以通過上級機(jī)構(gòu)發(fā)布供電控制指令，恒溫器、燈具、三位一體電器開關(guān)，如果設(shè)置了自動(dòng)讀取模式，則根據(jù)光強(qiáng)和水溫每60秒自動(dòng)更新一次數(shù)據(jù)。此外，使用該程序，用戶可以通過HTTP協(xié)議隨時(shí)隨地調(diào)用OneNet平臺(tái)提供的API，實(shí)時(shí)更新魚缸數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)采集時(shí)間，還可以發(fā)出命令來控制電源開關(guān)、恒溫、照明，控制自動(dòng)讀取模式。

五、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚缸系統(tǒng)軟件運(yùn)行調(diào)試

該系統(tǒng)根據(jù)水位變化監(jiān)測魚缸的水量，并根據(jù)水位傳感器和處理器設(shè)定的值定期供水。由于系統(tǒng)有大量的硬件接口，如果所有的電線連接看起來都是無序的。如果出現(xiàn)問題，很難找到原因，可能會(huì)出現(xiàn)測量誤差和系統(tǒng)通信不穩(wěn)定。因此，主控制面板應(yīng)設(shè)計(jì)成所有硬件接口傳感器的模塊，該模塊可嵌入控制面板，并盡可能集成到其中，以減少通信系統(tǒng)中的干擾。分析網(wǎng)絡(luò)環(huán)境良好時(shí)，云平臺(tái)、PC機(jī)、主機(jī)和移動(dòng)app可以在水溫變化時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測水溫變化，但有2～5S的延遲。同樣，發(fā)出命令也可以有效地實(shí)現(xiàn)，表明總體設(shè)計(jì)和調(diào)試達(dá)到了預(yù)期效果，總體設(shè)計(jì)已經(jīng)完成[7]。

六、結(jié)束語

總而言之，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)集多種控制功能于一體的智能化魚缸養(yǎng)殖系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用傳感器采集魚缸內(nèi)的溫度、pH值、水位等數(shù)據(jù)，通過移動(dòng)應(yīng)用的實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)魚缸環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)控制。同時(shí)具有自動(dòng)換水、自動(dòng)上料功能。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)魚缸每天喂食的困難，為養(yǎng)魚帶來了更大的便利。

作者單位：李曄? ? 曾昂? ? 河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)工程系

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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