基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能魚缸監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廖明華 黃育雄

摘要：智能魚缸監(jiān)控系統(tǒng)以Arduino UNO R3為控制核心，利用傳感器采集大氣溫濕度、光照強(qiáng)度、魚缸內(nèi)的溫度等數(shù)據(jù)，通過Wifi上傳到OneNET云平臺(tái)，手機(jī)App調(diào)用云平臺(tái)API實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程獲取魚缸環(huán)境參數(shù)，同時(shí)下發(fā)命令控制燈光、喂食、恒溫等。

關(guān)鍵詞：智能魚缸;OneNet;Arduino;Wifi

中圖分類號(hào)：TP368.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）02-0115-03

1 背景

據(jù)有關(guān)資料顯示，目前全世界觀賞魚缸業(yè)正以每年超過10%的速度增長(zhǎng)，在家居環(huán)境或是休閑娛樂場(chǎng)所都有各種各樣的魚缸，而保持一個(gè)適宜魚類生活的環(huán)境是一件非常耗精力的工作[1]，但目前市場(chǎng)上常用的魚缸控制系統(tǒng)產(chǎn)品繁多，功能不統(tǒng)一，沒有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化，不僅增加了成本，而且影響美觀。此外，現(xiàn)有技術(shù)中的智能魚缸大多無法提供遠(yuǎn)程服務(wù)，即使有部分產(chǎn)品能夠提供對(duì)魚缸的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，但也無法提供對(duì)魚缸的遠(yuǎn)程控制，這樣即使發(fā)現(xiàn)魚缸內(nèi)的環(huán)境不佳，也無法立即進(jìn)行控制改善，影響了用戶的體驗(yàn)。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的提高和人們對(duì)優(yōu)質(zhì)生活的追求，集水溫、清潔、喂養(yǎng)、補(bǔ)氧等功能于一體的智能魚缸將成為人們的新寵，為完善現(xiàn)今魚缸存在的技術(shù)問題，同時(shí)滿足用戶日益增長(zhǎng)的新需求，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能魚缸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)魚缸生態(tài)環(huán)境的自我管理，同時(shí)在手機(jī)端查看魚缸的實(shí)時(shí)情況，遠(yuǎn)程操控改善魚類生活環(huán)境狀態(tài)。

2 智能魚缸監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖1智能魚缸監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖所示，系統(tǒng)包括主控模塊、WIFI模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、恒溫加熱器、供氧過濾水循環(huán)器、光照模塊、喂食模塊，云端服務(wù)器和控制終端。

主控模塊為ATMEGA328P芯片，能控制魚缸所需的各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)智能照明、智能溫控以及智能喂食，系統(tǒng)通過主芯片的代碼控制，達(dá)到了功能系統(tǒng)化的效果，降低了購(gòu)買設(shè)備的成本。溫度傳感器采用了DS18B20模塊，該模塊具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)[2]，使魚缸的水溫保持在用戶所設(shè)定的溫度值，保證魚缸水體的恒溫效果;智能照明可根據(jù)外界光照強(qiáng)度變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得魚缸的美觀性更強(qiáng);智能溫控保證了魚缸的恒溫狀態(tài)，三合一供氧水循環(huán)系統(tǒng)具有供氧、過濾、水循環(huán)的功能，保證了魚缸水體的質(zhì)量，智能喂食可通過直流電機(jī)帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，當(dāng)槳葉孔轉(zhuǎn)過飼料孔時(shí)，飼料就可以從孔中掉落進(jìn)魚缸。

WIFI模塊為ESP8266芯片，主控芯片通過WIFI接入因特網(wǎng)，采用EDP通信協(xié)議與中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)云平臺(tái)OneNet進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)魚缸溫度，光照等環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和溫控、補(bǔ)光、喂食等控制命令的下發(fā)。

控制終端有基于C#的PC上位機(jī)和Android手機(jī)App，采用HTTP通信協(xié)議與中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)云平臺(tái)OneNet進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)魚缸環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和控制命令的下發(fā)。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

圖2所示為智能魚缸監(jiān)控系統(tǒng)的電路原理圖，A1表示恒溫加熱器、A2表示供氧過濾水循環(huán)器、A3表示光照模塊、A4表示喂食模塊，主控模塊、WIFI模塊以及環(huán)境檢測(cè)模塊用各自采用的芯片型號(hào)表示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

1）Arduino主程序

本系統(tǒng)采用Arduino UNO R3為控制核心，對(duì)魚缸水體溫度、室內(nèi)大氣溫濕度以及魚缸光照強(qiáng)度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，再由WIFI模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)絆neNET控制終端，達(dá)到對(duì)魚缸環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用戶可通過控制終端查看魚缸環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過控制終端下發(fā)相應(yīng)的控制指令，用戶可以對(duì)這些數(shù)據(jù)利用專家系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過控制設(shè)備上連接的恒溫器、三合一供氧過濾水循環(huán)器、直流電機(jī)（智能喂食系統(tǒng)）等設(shè)施的手段，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能的調(diào)節(jié)和控制，使得魚兒生活環(huán)境始終處于最佳狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)智能魚缸的目標(biāo)。

本系統(tǒng)的工作流程圖如圖3所示。

2）云端服務(wù)器

云端服務(wù)器采用OneNET云平臺(tái)的多協(xié)議接入中的EDP協(xié)議。OneNET定位為PaaS服務(wù)，即在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和真實(shí)設(shè)備之間搭建高效、穩(wěn)定、安全的應(yīng)用平臺(tái)：面向設(shè)備，適配多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和常見傳輸協(xié)議，提供各類硬件終端的快速接入方案和設(shè)備管理服務(wù);面向應(yīng)用層，提供豐富的API和數(shù)據(jù)分發(fā)能力以滿足各類行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)需求，使我們不用將工作重心放在設(shè)備接入層的環(huán)境搭建上，從而縮短系統(tǒng)的形成周期，降低研發(fā)、運(yùn)營(yíng)和運(yùn)維成本[3]。

EDP協(xié)議適用于設(shè)備和平臺(tái)需要保持長(zhǎng)連接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制的使用場(chǎng)景，基于TCP協(xié)議的，該協(xié)議只傳輸數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地，不保證傳輸?shù)捻樞蚺c到達(dá)的順序相同，事務(wù)機(jī)制需要在上層實(shí)現(xiàn);若客戶端同時(shí)發(fā)起兩次請(qǐng)求，服務(wù)器返回時(shí)，不保障返回報(bào)文的順序，EDP協(xié)議適合于數(shù)據(jù)的長(zhǎng)連接上報(bào)、透?jìng)鳌⑥D(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)主動(dòng)下發(fā)等場(chǎng)景[4]。

在OneNet平臺(tái)上創(chuàng)建產(chǎn)品，產(chǎn)品的接入方式選擇公開協(xié)議，聯(lián)網(wǎng)方式選擇WiFi，模組選擇安信可ESP266-XXX系列，設(shè)備接入?yún)f(xié)議選擇EDP協(xié)議[5]，創(chuàng)建產(chǎn)品完成后，創(chuàng)建設(shè)備，數(shù)據(jù)保密性設(shè)為公開，設(shè)備創(chuàng)建完成后，創(chuàng)建應(yīng)用，分別記錄魚缸內(nèi)溫度，室內(nèi)溫度，大氣濕度，編輯應(yīng)用界面，放置相應(yīng)的按鈕及圖形，修改相應(yīng)按鈕下發(fā)指令數(shù)據(jù)設(shè)置，即可從電腦Web端進(jìn)入OneNet平臺(tái)中智能魚缸監(jiān)控系統(tǒng)控制界面，效果圖如圖4所示，實(shí)現(xiàn)魚缸數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

3）基于C#的PC上位機(jī)

上位機(jī)通過HTTP協(xié)議，調(diào)用OneNET平臺(tái)提供的API，實(shí)時(shí)更新魚缸數(shù)據(jù)，同時(shí)獲取采集數(shù)據(jù)時(shí)間，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到指定路徑的text文檔中或本地SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶還可以通過上位機(jī)下發(fā)命令，控制投喂，恒溫，燈光，三合一電器的開關(guān)，如果進(jìn)入自動(dòng)讀入模式，可以每隔60S左右自動(dòng)刷新一次數(shù)據(jù)，根據(jù)光照強(qiáng)度、水體溫度的數(shù)值進(jìn)行自動(dòng)控制。

4）Android手機(jī)App

用戶使用手機(jī)App可以隨時(shí)隨地通過HTTP協(xié)議，調(diào)用OneNET平臺(tái)提供的API，實(shí)時(shí)更新魚缸數(shù)據(jù)，同時(shí)獲取采集數(shù)據(jù)時(shí)間，還可以下發(fā)命令，控制投喂，恒溫，燈光，三合一電器的開關(guān)，同樣可以控制進(jìn)入自動(dòng)讀入模式。

4 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)在整體設(shè)計(jì)結(jié)束后，結(jié)合硬件和軟件進(jìn)行最后階段的測(cè)試調(diào)整，以確定系統(tǒng)的正常運(yùn)行和穩(wěn)定性。

圖7為在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，快速改變魚缸水體溫度值，實(shí)時(shí)采集水體溫度值變化，同時(shí)分別記錄云平臺(tái)，PC上位機(jī)，手機(jī)App上水體溫度值的變化，經(jīng)分析，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境良好的情況下，云平臺(tái)，PC上位機(jī)，手機(jī)App在水體溫度發(fā)生變化時(shí)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到水體溫度變化的情況，但出現(xiàn)2～5s的延時(shí)，同樣下發(fā)命令也能得到有效執(zhí)行，表明整體的設(shè)計(jì)調(diào)試達(dá)到預(yù)期的效果，整體的設(shè)計(jì)已完成。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的智能魚缸監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)魚缸的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)下發(fā)控制命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程喂食和溫控的目的。本系統(tǒng)相比于市場(chǎng)售賣的智能魚缸具有一定的優(yōu)勢(shì)，解決了市面上產(chǎn)品繁多，功能不統(tǒng)一，且大多是非智能化的、單一的恒溫控制、充氧或照明系統(tǒng)的問題[1]，通過一個(gè)開發(fā)板鏈接多個(gè)功能模塊，降低了成本的同時(shí)節(jié)約了資源，使景觀型智能魚缸系統(tǒng)更符合市場(chǎng)的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 藍(lán)魚水族器材.魚缸智能控制系統(tǒng)研究與現(xiàn)狀[OL].

https：//www.sohu.com/a/283380050_100208248， 2018-12-23.

[2] 申長(zhǎng)安.基于DS18B20的溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警與智能控制系統(tǒng)[J].安陽工學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，13（2）：11-13，32.

[3] ?leven98 - CSDN博客.OneNET之mqtt連接[OL].https：//blog.csdn.net/leven98/article/details/106351823，2020-5-26.

[4] OneNET文檔中心. [OneNET設(shè)備云平臺(tái)]云平臺(tái)對(duì)接服務(wù)_智能設(shè)備[OL].https：//open.iot.10086.cn/doc/art574.html，2021-8-2.

[5] 王順-Arduino中文社區(qū).智能魚缸[OL].https：//www.arduino.cn/forum.php？mod=viewthread&tid=78444，2018-6-11.

【通聯(lián)編輯：梁書】

1318500783276