基于Arduino的智能水循環(huán)控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘" 要：針對傳統(tǒng)家居觀賞魚類養(yǎng)殖過程中智能化水平不足的問題，該研究提出了一種基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水循環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用Arduino Due和Esp 8266開發(fā)板作為核心，集成多傳感器設備，實時采集養(yǎng)殖水環(huán)境內(nèi)的水位、渾濁度、水溫、pH值及光照強度等關(guān)鍵養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸和移動端Blinker組件的實時顯示。通過物聯(lián)網(wǎng)終端設備的接入，系統(tǒng)支持語音控制功能，允許養(yǎng)殖者通過智能音箱或手機應用進行遠程操控。系統(tǒng)不僅具備自動補光、換水、濾水和增氧等自動化操作，還提供了基礎按鍵的手動控制模式，以滿足不同養(yǎng)殖場景下的需求。該研究的實施顯著提升了魚類養(yǎng)殖的智能化水平，為提升養(yǎng)殖效率、降低管理成本提供了有效的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：Arduino；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能水循環(huán)；遠程控制；語音控制

中圖分類號：S965.89文獻標志碼：A

文章編號：1674-2419（2024）04-0439-06

基金項目：黑龍江省教育科學“十四五”規(guī)劃2022年度重點課題“線上線下混合式教學模式下高職學生自主學習與自我評價研究成果（ZJB1422147）”。

作者簡介：楊淳（1989.5- ），女，漢族，黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學院講師，碩士研究生，研究方向：計算機應用，物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)。E-mail：45277047@qq.com。

通訊作者：馬延霞（1976.3- ），女，漢族，工學碩士。黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學院副教授。研究方向：計算機科學技術(shù)與應用。E-mail：112984630@qq.com。

隨著科技的飛速發(fā)展，智能化技術(shù)已逐漸滲透到人們生活的各個領(lǐng)域，顯著提升了人們的生活品質(zhì)。特別是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動下，智能家居系統(tǒng)正逐步成為現(xiàn)代家庭不可或缺的一部分。在智能家居的廣闊前景和市場需求中，魚類養(yǎng)殖水循環(huán)系統(tǒng)作為家庭裝飾和休閑養(yǎng)生的重要元素，其智能化控制與管理逐漸成為行業(yè)研究和發(fā)展的新熱點。

基于上述背景，深入探索了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的應用，特別是針對魚類養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的智能化管理，并成功設計、實現(xiàn)了一款基于Arduino的智能水循環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將魚類養(yǎng)殖融入整體智能家居體系中，豐富了智能家居的應用場景，而且通過全面監(jiān)測和智能化控制，完善了智能家居生態(tài)鏈。

具體而言，該系統(tǒng)利用Arduino開發(fā)平臺與Blinker技術(shù)，實現(xiàn)對魚類養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境中的關(guān)鍵參數(shù)，如水溫、水位、水質(zhì)（包括渾濁度、pH值等）以及光照強度的實時監(jiān)測。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程傳輸和數(shù)據(jù)處理能力，系統(tǒng)能夠?qū)⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸至用戶的移動端，使用戶能夠隨時隨地了解系統(tǒng)狀態(tài)。同時，系統(tǒng)還具備語音控制、自動化控制和智能調(diào)節(jié)功能，能夠根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行補光、換水、濾水、增氧等操作，確保養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的穩(wěn)定。

1" 系統(tǒng)總體設計

通過問卷調(diào)查、養(yǎng)殖專業(yè)橫向調(diào)研、市場調(diào)研等多種方式進行項目需求分析，得出魚類養(yǎng)殖重點控制領(lǐng)域和關(guān)鍵控制參數(shù)，考慮應用便捷性，開發(fā)時效性及控制穩(wěn)定性等多方面因素完成該系統(tǒng)總體設計。

系統(tǒng)主要由Arduino Due控制板、Esp 8266控制板、水位傳感器、渾濁度傳感器、水溫傳感器、光敏電阻、氣泵、水泵、智能音箱以及Blinker移動端APP共同組成。Arduino Due與Esp 8266均為智能控制系統(tǒng)的核心控制器，基于其不同特點，該項目應用Arduino Due實現(xiàn)自動控制，Esp 8266負責實現(xiàn)遠程智能控制。系統(tǒng)功能實現(xiàn)如圖1所示。

Arduino Due開發(fā)板完成魚類養(yǎng)殖中光照、溫度控制。通過光敏電阻獲取光照值，通過水溫傳感器獲取水溫值，在LCD顯示屏中顯示水溫數(shù)值。同時，根據(jù)魚類養(yǎng)殖科學數(shù)據(jù)設置調(diào)節(jié)閾值，實現(xiàn)自動加熱和補光。

在Esp 8266開發(fā)板功能設計中，主要依托其網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸能力實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集和控制。在設備端通過開發(fā)板采集水位傳感器、水渾濁度傳感器數(shù)據(jù)值，數(shù)據(jù)遠距離傳輸至移動端Blinker移動端APP中，在Blinker的控件中準確顯示。同時，可應用移動端開關(guān)，實現(xiàn)遠程設備控制，如注水、排水、濾水和增氧。為進一步增強系統(tǒng)智能性，加入智能音箱，使AI智能水循環(huán)控制系統(tǒng)成為智能家居的一部分，達到語音控制增氧、濾水等效果。數(shù)據(jù)采集、傳遞和設備控制示例如圖2所示。

2" 硬件設計

2.1" Esp 8266控制板

Esp 8266控制板具備遠程數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠通過代碼設計實現(xiàn)設備與Blinker云平臺連接，進而實現(xiàn)設備上云、遠程控制、手機查看數(shù)值以及智能音箱語音控制，并且Esp 8266具備足夠的I/O口和計算能力，以滿足系統(tǒng)需求。Esp 8266示例如圖3所示。

2.2" Arduino Due控制板

Arduino Due控制板是基于ARM Cortext-M3 CPU的微控制器，其中數(shù)字輸入、輸出引腳和模擬輸入引腳豐富，能夠同時接入多種器件，同時Arduino Due板集成度高，自身集成蜂鳴器等多種元器件，并且應用成本低。該系統(tǒng)將光敏電阻、水溫傳感器與Arduino Due控制板連接，以實現(xiàn)補光、水的加溫、降溫的自動化控制。Arduino Due示例如圖4所示。

2.3" 傳感器

2.3.1" 水位傳感器：可以精確測量水位變化。通過讀取底板電路原理圖可知水位傳感器采集的電壓值隨浸入深度的增加而增大。為使水位傳感器采集值與控制系統(tǒng)實際水位相對應，在代碼編程中運用算法進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。水位傳感器示例如圖5所示。

2.3.2" 渾濁度傳感器：實時監(jiān)測渾濁度情況。渾濁度傳感器依據(jù)光線透過量檢測水的污濁程度，光接收端把透過的光強度轉(zhuǎn)換為對應的電流大小，渾濁度傳感器會將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。為了使渾濁度傳感器所讀取的值與系統(tǒng)實際渾濁度相對應，在代碼編程中運用算法進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。渾濁度傳感器示例如圖6所示。

2.3.3" 水溫傳感器：實時測量水溫變化。水溫傳感器的工作原理主要基于熱敏電阻特性，阻值隨水體溫度的變化而變化，從而將水溫信號轉(zhuǎn)換成電壓值。為了使水溫傳感器采集值與系統(tǒng)水溫值相對應，在代碼編程中運用算法進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。水溫傳感器示例如圖7所示。

2.4" 光敏電阻

實時監(jiān)測光照強度。光敏電阻基于光電效應檢測環(huán)境光照強度，光照越強，阻值越低。使用光敏電阻采集光強數(shù)值，為自動補光控制提供依據(jù)。在代碼編程中運用算法進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。光敏電阻示例如圖8所示。

2.5" LCD液晶顯示屏

LCD液晶顯示屏實時顯示水溫傳感器采集數(shù)據(jù)。LCD液晶顯示屏可同時顯示32字符且耗電量少，體積小、輻射低。通過代碼編程顯示水溫具體數(shù)值。LCD液晶顯示屏示例如圖9所示。

2.6" 氣泵

選用氣泵作為系統(tǒng)增氧工具，通過Esp 8266控制板外接繼電器，完成弱電開發(fā)板對強電回路控制。通過程序代碼，設計并實現(xiàn)手動增氧、自動增氧、遠程增氧控制。

2.7" 水泵

選用水泵作為系統(tǒng)濾水、泵水工具，通過繼電器接入Esp 8266控制回路，用于系統(tǒng)的水位和水體的清澈度，實現(xiàn)自動排水、補水和濾水功能。

2.8" 風扇

選用風扇作為水循環(huán)系統(tǒng)降溫工具。通過接入Arduino Due開發(fā)板檢測系統(tǒng)水溫，溫度超過閾值，利用電機驅(qū)動控制風扇配合濾水功能實現(xiàn)系統(tǒng)降溫。

2.9" 智能音箱

選用智能音箱，使水循環(huán)系統(tǒng)接入智能家居系統(tǒng)。通過Esp 8266平臺框架完成智能插座功能代碼，實現(xiàn)語音控制繼電器通斷，進而控制外部水泵、氣泵等設備。

3" 軟件設計

3.1" Arduino編程

編寫代碼實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、設備控制、遠程數(shù)據(jù)通信以及智能音箱控制，代碼控制流程如圖10所示。

3.2" Blinker應用

利用Blinker移動端APP實現(xiàn)移動端與硬件端開發(fā)板的數(shù)據(jù)雙向聯(lián)通與控制。創(chuàng)建設備，并根據(jù)項目需求創(chuàng)建具體控件。數(shù)據(jù)控件具體有水位數(shù)值和渾濁度數(shù)值顯示區(qū)，注水、排水、濾水、增氧按鍵控件。Blinker移動端APP界面實例圖流程如圖11所示。控件創(chuàng)建完畢后，通過代碼實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交互，包括數(shù)據(jù)顯示和控制指令發(fā)送。

4" 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

項目實現(xiàn)了基于Arduino的智能水循環(huán)控制系統(tǒng)的整體構(gòu)建與測試。通過連接Esp8266和Arduino Due控制板，并編程燒錄Arduino代碼，完成了硬件與軟件的集成。利用Blinker移動端APP，用戶可實時監(jiān)測和控制水族箱環(huán)境。當設備上線后，APP界面準確顯示采集的數(shù)據(jù)，包括加水、排水、濾水和增氧等狀態(tài)，用戶可通過點擊相應控件實現(xiàn)遠程控制。此外，系統(tǒng)具備自動化控制功能，當環(huán)境條件超出預設的魚類養(yǎng)殖科學數(shù)據(jù)閾值時，系統(tǒng)會自動啟動補光和溫控措施。同時，系統(tǒng)支持語音控制，用戶只需對智能音箱發(fā)出指令，即可執(zhí)行相應操作。此外，通過Blinker移動端APP，用戶還能查看Esp8266控制板連接的WiFi信號強度、系統(tǒng)運行時長、當?shù)靥鞖狻⑹覂?nèi)外溫差以及系統(tǒng)日歷等信息，旨在為用戶提供全新的智能化養(yǎng)魚體驗。系統(tǒng)外觀如圖12所示。

5" 結(jié)果與分析

通過實際測試，該智能水循環(huán)控制系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測與控制功能上均展現(xiàn)出高準確性和可靠性。特別是語音控制功能，其便捷性和先進性顯著提升了用戶體驗，用戶只需通過簡單語音指令即可實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程控制。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在水位監(jiān)測、渾濁度監(jiān)測、溫度監(jiān)控以及增氧、注水、排水、濾水和補光控制等方面均達到預期效果，為智能水循環(huán)控制系統(tǒng)的研究和應用提供了有力支持。

6" 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，其為傳統(tǒng)魚類養(yǎng)殖向信息化、數(shù)據(jù)化轉(zhuǎn)型提供了強大動力。該研究基于Arduino開發(fā)平臺，成功研發(fā)了智能水循環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合Blinker移動端APP，實現(xiàn)了對水位、水渾濁度、水溫、光照等關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測與智能語音控制，展現(xiàn)了高度的實用性和創(chuàng)新性。系統(tǒng)所用器件兼具體積小、成本低、精度高的特點，顯著提升了用戶體驗并降低了成本投入。展望未來，我們將持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)性能，拓展更多功能，以滿足用戶日益增長的需求，推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的深入應用。

參考文獻：

姚光業(yè)，黃永華，廖志賢，等.基于嵌入式單片機的物聯(lián)網(wǎng)智能魚缸設計.電子制作，2024，32（6）：52-56.

梁景普，傅卓軍.基于物聯(lián)網(wǎng)的觀賞魚智能喂養(yǎng)系統(tǒng)設計與實現(xiàn).計算機應用與軟件，2022，39（3）：8-13+88.

Design and implementation of intelligent water cycle control system based on Arduino

YANG Chun1， MA Yanxia1， LIU Sitong2， LIU Gongxi1， QI Guangyu1， FENG Jiaxu1， ZHANG Shuai1

（1.Heilongjiang Agricultural Engineering Vocational College， Harbin 150018， Heilongjiang China; 2. Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 401122， China）

Abstract：In order to solve the problem of insufficient intelligence level in the process of traditional home ornamental fish farming， this study proposed an intelligent water cycle control system based on Arduino Internet of Things technology. Using Arduino Due and Esp 8266 development board as the core， the system integrates multi-sensor equipment to collect key aquaculture data such as water level， turbidity， water temperature， pH value and light intensity in the aquaculture water environment in real time， and realizes remote data transmission and real-time display of mobile Blinker components through the Internet of Things technology. Through the access of the Internet of Things terminal device， the system supports voice control function， allowing farmers to remotely control through smart speakers or mobile phone applications. The system not only has automatic operations such as automatic light filling， water changing， water filtration and oxygen enhancement， but also provides a manual control mode with basic keys to meet the needs of different farming scenarios. The implementation of this research has significantly improved the intelligence level of fish farming， and provided effective technical support for improving aquaculture efficiency and reducing management costs.

Keywords：arduino; internet of things technology; intelligent water cycle; remote control; voice control