基于Android和云平臺技術的水族箱遠程監控系統設計

張楓沛，肖世德，陶 濤，周 瑾

(西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

20世紀八十年代，美國聯合公司首次提出智能家居概念[1]。水族箱作為重要裝飾物，智能化、系統化是其未來的發展方向。突破空間限制，建立技術先進、自動化程度高、運行穩定的控制系統[2]，是本課題的研究方向。文獻[3-5]介紹了基于無線傳感網絡的智能監控系統。文獻[6-7]介紹了基于云平臺的遠程交互式監控系統。文獻[8-9]介紹了基于Android平臺水產養殖監控技術，實現了水質監測和手機應用程序(application,APP)遠程監控，但在傳輸速率、預警功能以及現場實景監測等方面仍需完善。

本文在Android及云平臺技術的基礎上，設計了一種水族箱環境監測控制系統，實時監測水族箱各項參數，并可通過遠程終端控制投食以及視頻監測現場實時情況。系統體積小、操作簡單、數據傳輸精準、動作執行準確。

1 系統總體設計

系統架構分為下位機、上位機和智能云平臺。 下位機以STM32為核心，外圍設備包括數據采集所需傳感器和相應動作執行模塊，負責數據采集及預處理，同時接收從云平臺傳輸過來的控制指令并完成控制。上位機終端為Android設備(平板或手機等)，通過用戶界面反饋水族箱的監測數據，并根據用戶要求下達指令。當上下位機信號通過WiFi模塊傳輸給云平臺,云平臺根據預定程序作出決策。系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計圖 Fig.1 Overall design of the system

系統正常工作，傳感器獲得的參數通過STM32預處理后傳輸到云平臺，與系統設定閾值逐次比較并作出決策，根據決策結果通知上位機和控制下位機。上位機顯示當前水族箱環境狀態以及決策控制狀態。當決策結果為增溫、增氧或添水動作時，信號通過WiFi傳輸至下位機控制增溫機、增氧機和補水泵工作(工作時長固定)；當系統工作錯誤或水族箱產生重大環境變化需要報警時，同時發送信號給上下位機。下位機發出現場報警信號，上位機系統終端顯示報警信號。投食作為無信號反饋型動作，需從上位機終端給出操作命令，設置有手動投食和定時投食兩種模式，每次投食時間默認為15 s；命令通過WiFi傳輸至云平臺進行決策，再將決策結果傳輸至下位機控制投食機工作。同理，用戶可根據需求給出視頻監控命令，通過相同過程傳達至下位機，USB攝像頭采集視頻信號后傳達至上位機顯示。

2 系統硬件設計

2.1 硬件組成

硬件由數據采集模塊、處理器模塊、繼電器模塊、動作執行模塊和WiFi模塊組成。數據采集模塊包括系統傳感器和信號調理電路；處理器模塊、繼電器模塊和WiFi模塊構成主控板；動作執行模塊分別響應系統給出的升溫、增氧、投食等命令并給出動作。硬件設計如圖2所示。

圖2 硬件設計圖 Fig.2 Diagram of hardware design

處理器模塊為ST公司生產的STM32F103。采用TLP2161光耦隔離芯片，防止數據采集時的外界干擾。WiFi模塊通過串口與STM32連接，可嵌入外部設備。通過LM2576s芯片和ASM117-3.3芯片組成電路，將電源電壓轉換為5 V和3.3 V,給繼電器和WiFi模塊供電。

2.2 溶氧、水位調理電路

選擇的溶氧和水位傳感器所輸出信號均為4～20 mA，而STM32只接收0～3.3 V電壓信號，需用調理電路將電壓信號轉化為符合系統需求的電壓信號。調理電路中，選用光耦隔離芯片HCNR201保證工作區域的線性要求。

調理電路接收電流和輸出電壓之間的關系為：

(1)

式中：R1為可調電阻，Ω;R3、R5為固定電阻，Ω;K為常數1。

3 系統軟件設計

3.1 云平臺數據點設計

系統選用機智云物聯網公司推出的一站式智能硬件開發及云服務平臺(機智云平臺)。選用平臺即服務(platform as a service，PaaS)模式，數據類型為布爾值，GAgent配置入網方式為airlink方式，搜索、綁定設備選用WiFi模式，下發、上報設備數據選用廣域網模式[10]。上位機發出命令和下位機狀態反饋通過GAgent進行數據轉發，保證通信及時準確。

3.2 總體軟件設計

系統總體軟件設計基于keil uvision5集成環境，采用C語言程序開發，并以Source與SrcureCRT為輔開發驅動程序。系統上電并成功初始化后，首先判斷有無投食或視頻監測命令(用戶端給出)，執行相應動作；再按序獲取溶氧、水位、溫度和pH值4個參數。當溶氧、水位和溫度小于設定最低閾值，執行相應增氧、加水和升溫動作，從而實現自動控制；當水位、溫度高于設定最大閾值(警報值)或pH值超出設定范圍時，系統發送警報信息上報上位機，同時打開下位機報警繼電器，實現自動預警。當各項數據均在正常范圍內，系統將各項數據存入數組，依靠WiFi及智能云傳輸方式發送至Android端，與用戶交互。軟件設計如圖3所示。

圖3 軟件設計圖 Fig.3 Diagram of software design

3.3 監測終端設計

上位機終端為Android設備(平板或手機等)。以JAVA程序語言開發系統APP，交互界面采用Android平臺自帶UI組件設計，服務器采用SQL+SOCKET實現。利用SQLite數據庫實現數據儲存，結合SOCKET完成網絡通信[11-12]。利用Eclipse軟件中Bin目錄中編譯生成的APK文件可直接安裝在Android手機或平板上。相比傳統的有線通信以及Z-Wave、ZigBee等無線通信方式，系統采用WiFi通信技術，減少了時間、空間、環境的限制，并且具備大量數據傳輸能力和超高傳輸速率等優點。用戶直接通過APP交互界面監控，方便快捷。

應用Android平臺自帶UI組件設計交互界面，包括登陸界面和主控界面和視頻界面。用戶通過登陸界面進入主控界面，實時查看水族箱各項，可通過視頻界面實時查看現場視頻，并可截圖保存實時狀況。數據異常時，系統會通過彈窗模式提醒用戶查看數據。

4 系統測試

本系統已在試驗室搭建成功，水族箱大小為40 cm×35 cm×40 cm。水溫閾值范圍設定為22～30 ℃，水位閾值范圍為25～30 cm，pH閾值范圍設定為7.1～8.8，溶氧閾值最低值設定為7.8mg/L。考慮到執行機構周邊環境會影響傳感器的讀取準確度，相應傳感器均安裝在遠離執行機構端；同時，考慮到不同水深的溶氧值會有區別，溶氧傳感器安裝在15cm處(水位中段)；增氧機導管安裝于水族箱底部，達到充分供氧。增氧機、增溫機、投食機和報警裝置直接與繼電器連接，并由程序控制。對水族箱進行24 h監測，每隔2 h記錄一次數據。表1為某天系統測試結果。

表1 系統測試結果Tab.1 Results of system test

由表1可知，結合Android及云平臺技術，控制系統可實時監測溫度、溶氧、pH、水位參數，并同時對溫度、水位和溶氧進行自動控制。水族箱內各參數在監控時間內均保持穩定。其中：溫度穩定在25 ℃左右，溶氧值穩定在8.1 mg/L左右，水位穩定在28 cm左右。pH值與投食量、換水頻率和魚類排泄等有關系。一旦超過閾值，系統則會報警，監測期間pH值穩定在8.1左右。投食動作為用戶端主動給出，表中未記錄。測試可知，該系統能保證溶養和水位的精確度在0.3 mg/L和2 cm之內，保證溫度控制在22 ℃以上的觀賞魚生存適宜范圍，滿足觀賞魚養殖的需求。系統具有較強的實時性、便捷性，在各項數據超出設定閾值時，用戶端和水族箱現場均能報警提醒，并可通過用戶端視頻監測現場情況。

5 結束語

系統充分利用了云平臺和Android操作系統的遠程傳輸便捷性和開發優勢，配合STM32控制器，實現了智能水族箱系統的高效、及時的監控管理。根據當代家居環境的要求，提出了以遠程監控的方式管理水族箱系統的設計模式，并通過實物驗證。測試表明，系統能夠實現對溫度、溶氧、pH值、水位4個參數的實時監測，并達到自動控制效果，同時實現了視頻監控功能，滿足了當代對家居舒適性、智能性的要求。

參考文獻:

[1] ALAM M R,REAZ M B I,ALI M A M. A Review of smart homes-past,present,and future[J]. IEEE Transactions on Systems Man & Cybernetics Part C,2012,42(6):1190-1203.

[2] 曹廣斌,蔣樹義,韓世成,等. 工廠化水產養殖中的自動控制技術[J]. 水產學,2011,24(1):60-64.

[3] 李建勇,李洋,劉雪梅. 基于ZigBee的糧庫環境監控系統設計[J]. 電子技術應用,2016,42(1):65-67.

[4] 丁永賢,謝鵬. 基于ZigBee無線傳感網絡的農場智能監控系統[J]. 現代電子技術,2017,40(2):137-140.

[5] 姜文剛,蔡藍圖. 智能家居無線傳感器網絡的研究[J]. 江蘇科技大學學報(自然科學版),2010,24(2):169-173.

[6] 王華強,于鴻儒. 基于云平臺的交互式監控系統[J]. 儀表技術與傳感器,2016(9):68-71.

[7] 郭鵬,李鈞,張海燕. 基于云平臺的智能遠程種植系統[J]. 上海大學學報(自然科學版),2017,23(2):244-251.

[8] 王鴻雁,孟祥印,趙陽,等. 基于ARM9及Android的水產養殖監控系統設計[J]. 漁業現代化,2016,43(4):11-15.

[9] 施伶俐,舒妍,董雪飛,等. Android下的易寶客APP系統設計與開發[J]. 自動化儀表,2015,36(8):35-37.

[10]汪宇,呂衛,楊博菲,等. 基于Android平臺的智能家居監控系統[J]. 電視技術,2012,36(2):36-38.

[11] YONG G.Design andimplementation of mobile GIS application based on Android[J]. International Journal of Technology Management,2014(5):61-63.

[12]張璘,馮陳偉,周超. 基于Android的遠程視頻監控系統的設計與實現[J]. 計算機應用,2016,36(S1):301-304.