基于物聯(lián)網(wǎng)的智能生態(tài)魚(yú)缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫洪波

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的智能生態(tài)魚(yú)缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫洪波

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)魚(yú)缸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由三部分組成：環(huán)境信息采集與控制、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器感知技術(shù)采集生態(tài)魚(yú)缸內(nèi)的環(huán)境信息，并將采集數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線ZigBee傳輸技術(shù)發(fā)送至控制中心節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)上傳到后臺(tái)服務(wù)器，最終由服務(wù)器將控制命令發(fā)往各個(gè)設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)魚(yú)缸環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié)。實(shí)際使用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的魚(yú)缸生態(tài)環(huán)境監(jiān)控的需求。

傳感器；ZigBee ；智能控制；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)將感知技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及人工智能結(jié)合在一起。本文從魚(yú)類生活環(huán)境因素分析，設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)魚(yú)缸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。智能生態(tài)魚(yú)缸通過(guò)部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)缸內(nèi)部水體環(huán)境因素，如水質(zhì)、水位、水溫、含氧量等，通過(guò)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)管理中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，回送控制命令對(duì)魚(yú)缸環(huán)境進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，不僅為魚(yú)類提供了適宜的環(huán)境，同時(shí)也將大大降低魚(yú)類養(yǎng)殖的復(fù)雜性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

根據(jù)生態(tài)魚(yú)缸特性分析，本文系統(tǒng)主要包含以下功能：

(1)實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過(guò)溫度、水位、水濁度、光照等傳感器模塊，周期性地讀取傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集功能，方便用戶實(shí)時(shí)了解魚(yú)缸環(huán)境的變化。

(2)隨時(shí)隨地查看魚(yú)缸環(huán)境變化。用戶可通過(guò)內(nèi)網(wǎng)登錄智能生態(tài)魚(yú)缸管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)查看魚(yú)缸內(nèi)水溫、水位、水濁度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的變化，可分別以表格、折線圖、柱形圖三種形式自由呈現(xiàn)，并且支持歷史數(shù)據(jù)的查看。

(3)自由調(diào)節(jié)數(shù)值范圍功能。用戶可在智能生態(tài)魚(yú)缸管理系統(tǒng)中調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值范圍，例如通過(guò)最高溫和最低溫設(shè)置，若當(dāng)前采集的魚(yú)缸水溫超出數(shù)值范圍，則發(fā)送命令，控制加熱棒工作。

(4)用戶數(shù)據(jù)信息管理功能。用戶通過(guò)智能生態(tài)魚(yú)缸管理系統(tǒng)，添加或刪除魚(yú)缸、采集單元、控制單元等用戶設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的智能管理，方便用戶的查看和切換，并且通過(guò)Web提供了各種方便快捷的信息管理服務(wù)。

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文以魚(yú)缸為研究對(duì)象，根據(jù)上文的功能需求分析，開(kāi)發(fā)了基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)[1]的智能生態(tài)魚(yú)缸管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)魚(yú)缸環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)主要由三部分組成：環(huán)境信息采集與控制、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理與用戶應(yīng)用管理系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能生態(tài)魚(yú)缸管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

信號(hào)采集與控制部分包含了采集單元和控制單元。本系統(tǒng)的采集單元包含了對(duì)應(yīng)的溫度、水濁度、水位、光強(qiáng)度等傳感器模塊，控制單元包含了低壓加熱棒、水泵、補(bǔ)光燈等外部控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)魚(yú)缸內(nèi)部環(huán)境的自動(dòng)控制。

數(shù)據(jù)傳輸部分主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和后臺(tái)服務(wù)器組成。根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)以及本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，采用了星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由單個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸[2]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與ARM控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的發(fā)送和自動(dòng)控制命令的接收。網(wǎng)關(guān)能夠通過(guò)Internet訪問(wèn)遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下載。終端設(shè)備周期性地讀取采集單元接收的數(shù)據(jù)，并且發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)主要包括服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊和用戶管理模塊。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，服務(wù)器接收到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化處理，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。用戶管理模塊主要搭建了智能生態(tài)魚(yú)缸環(huán)境管理系統(tǒng)的用戶界面，方便用戶的查看和操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制模塊由一個(gè)可遠(yuǎn)程控制的智能排插座組成，只需將外部設(shè)備連接在排插上，其中每一個(gè)插座與一個(gè)5 V繼電器模塊連接，通過(guò)終端設(shè)備的數(shù)字I/O進(jìn)行繼電器高電平觸發(fā)，再配合ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制，達(dá)到魚(yú)缸環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié)，其模塊電路圖如圖2所示。

控制模塊中使用的是5 V帶光耦隔離高電平觸發(fā)繼電器模塊。其中光耦隔離使得觸發(fā)更加安全可靠，高電平觸發(fā)即說(shuō)明當(dāng)觸發(fā)端有輸入高電平時(shí)，繼電器吸合。本系

圖2 繼電器模塊電路

統(tǒng)采用了繼電器常開(kāi)端的連接方法，把排插插頭的火線接在公共端上，插座的火線端連接在常閉端上。在系統(tǒng)中，繼電器相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)開(kāi)關(guān)，只需通過(guò)ZigBee CC2530控制[3]各繼電器觸發(fā)端的高低電平即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

2.2 感知模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的采集端主要包含溫度、水濁度、水位、光強(qiáng)度等傳感器模塊以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊，如AD轉(zhuǎn)換模塊[4]，其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 采集端硬件設(shè)計(jì)框圖

2.2.1 水溫傳感器模塊

本系統(tǒng)需要測(cè)量魚(yú)缸水體溫度，而且直接深入魚(yú)缸水體內(nèi)部對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，因此采用了防水的DS18B20數(shù)字溫度傳感器探頭。并且通過(guò)傳感器適配器來(lái)增加上拉電阻，以實(shí)現(xiàn)與CC2530數(shù)字I/O口的連接。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖4所示。

圖4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖

由圖4可知，DS18B20包含了溫度傳感器、溫度報(bào)警觸發(fā)器、暫存器以及64位ROM，共含有3個(gè)管腳：DQ、GND和VDD。其中DQ為數(shù)字輸入/輸出端，GND為電源地，VDD為外接電源輸入端。

DS18B20數(shù)字溫度傳感器具備單線接口，DQ端通過(guò)適配器直接與CC2530的一個(gè)數(shù)字I/O口連接，即可實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的讀取。同時(shí)，其ROM中具有獨(dú)特的唯一64位序列號(hào)，可實(shí)現(xiàn)同一總線上的分布式溫度測(cè)量，即當(dāng)魚(yú)缸較大時(shí)，可在多處配置實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量。其供電范圍為3.0 V～5.5 V，所以可直接通過(guò)數(shù)據(jù)線供電。其溫度測(cè)量范圍為-55 ℃～+125 ℃，由于魚(yú)類一般可承受溫度范圍為0 ℃～35 ℃，所以適用于魚(yú)缸水溫的測(cè)量。另外，DS18B20的最大測(cè)量時(shí)延為750 ms，在-10 ℃～+85 ℃范圍內(nèi)的測(cè)量精度為±0.5℃，同時(shí)具備9～12位可調(diào)分辨率。根據(jù)其時(shí)延短、精度高的特性，可知DS18B20適用于溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.2.2 水濁度傳感器

為了測(cè)量魚(yú)缸水體的渾濁程度，本系統(tǒng)采用了水濁度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。水濁度傳感器采用了光學(xué)原理，由于水體懸浮顆粒的影響，當(dāng)光線入射時(shí)會(huì)出現(xiàn)散射現(xiàn)象。因此根據(jù)測(cè)量水體的透光率和散射率結(jié)果，能夠計(jì)算出水體的懸浮顆粒含量，即水濁度。水濁度傳感器原理圖如圖5所示。

圖5 水濁度傳感器原理圖

傳感器內(nèi)部主要由紅外線對(duì)管、透射光光電池和散射光光電池組成。當(dāng)光線穿過(guò)水體時(shí)，其中一部分被吸收和散射，散射光被散射光光電池接收，另一部分透射光被透射光光電池接收。當(dāng)水體渾濁度越高，水的透光度越差，則測(cè)得的電流就越小，那么通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換為0 V～5 V的電壓相應(yīng)地就越小。

水濁度單位為NTU，1NTU=1 mg/L的懸浮顆粒。通過(guò)測(cè)量可知，1 000 NTU時(shí)約為35.5%渾濁度，3 000 NTU時(shí)約為67.2%渾濁度。因此，當(dāng)水濁度小于1 000 NTU時(shí)為低濁度,在1 000 NTU～3 000NTU時(shí)為中濁度，大于3 000 NTU時(shí)為高濁度。

傳感器模塊由水濁度傳感探頭和AD輸出選擇模塊構(gòu)成，其中模擬量的輸出為0 V～4.5 V的電壓，數(shù)字量的輸出為高低電平信號(hào)。本系統(tǒng)選擇模擬量輸出，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理，連接到CC2530的數(shù)字I/O口，實(shí)現(xiàn)水濁度的實(shí)時(shí)測(cè)量。

2.2.3 水位傳感器

本系統(tǒng)的水位傳感器用于測(cè)量魚(yú)缸內(nèi)水體的高度是否達(dá)到用戶水位高度要求。由于魚(yú)缸內(nèi)水位變動(dòng)較小，所以無(wú)需實(shí)時(shí)顯示水位信息，只需自動(dòng)判定水位，當(dāng)水位低于基本要求時(shí)，提醒用戶添加魚(yú)缸水量。本系統(tǒng)采用的水位傳感器如圖6所示。

圖6 水位傳感器實(shí)物圖

水位傳感器利用表面的平行導(dǎo)線來(lái)測(cè)量所接觸的水量大小，從而判定水位，并且輸出模擬量，實(shí)現(xiàn)水量到模擬量的轉(zhuǎn)換。輸出模擬量越大則水位越高。最后，為了方便CC2530 I/O口的讀取，需采用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。

2.2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

由于本系統(tǒng)ZigBee模塊包含了CC2530的數(shù)字I/O口，所以當(dāng)傳感器模塊輸出模擬量(如水濁度傳感器和水位傳感器)時(shí)，需通過(guò)模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行采樣處理，才可直接通過(guò)CC2530的數(shù)字I/O口進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的讀取。本系統(tǒng)采用了YL-40 AD轉(zhuǎn)換模塊，其原理圖如圖7所示。

圖7 YL-40 AD轉(zhuǎn)換模塊原理圖

本模塊主要采用了PCF8591 數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片具備4個(gè)模擬輸入端、1個(gè)模擬輸出端和1個(gè)串行I2C總線接口，故可實(shí)現(xiàn)最多4個(gè)模擬輸出傳感器同時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。因此，本系統(tǒng)只需將水濁度傳感器和水位傳感器與一個(gè)YL-40 AD轉(zhuǎn)換模塊連接即可。由于YL-40 AD轉(zhuǎn)換模塊中PCF8591芯片的3個(gè)地址引腳均接地，因此本模塊PCF8591芯片的硬件地址固定為0X90。另外，由于輸出數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)I2C串行總線的方式與CC2530數(shù)字I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以讀寫(xiě)數(shù)據(jù)需遵循I2C總線協(xié)議。

2.2.5 數(shù)字光強(qiáng)度傳感器模塊

本模塊主要包含了BH1750數(shù)字光強(qiáng)度傳感器，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖8所示。芯片內(nèi)部的光敏二極管接近人眼反應(yīng)，故常用于環(huán)境光照的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可檢測(cè)光強(qiáng)度范圍為0～65 535 lx。其中，運(yùn)算放大器將光敏二極管電流轉(zhuǎn)換為電壓，再經(jīng)過(guò)內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器，輸出16位數(shù)據(jù)，通過(guò)I2C總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，BH1750光強(qiáng)度數(shù)據(jù)的讀取應(yīng)遵循I2C總線協(xié)議。

圖8 BH1750內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖

3 系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

用戶后臺(tái)管理系統(tǒng)采用了WAMP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，WAMP是Windows系統(tǒng)下的Apache網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、Mysql關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和PHP腳本語(yǔ)言的一種集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用了ThinkPHP3.2框架，ThinkPHP是開(kāi)源開(kāi)發(fā)框架，基于多層MVC結(jié)構(gòu)，即模型層(Model)、視圖層(View)、控制器層(Controller)。其中模型層用于存放數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)和服務(wù)等相應(yīng)接口，相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫(kù)的操作；視圖層主要包括模板和模板引擎，即網(wǎng)頁(yè)的布局、框架等內(nèi)容；控制器層用于響應(yīng)用戶操作，負(fù)責(zé)用戶的交互和事件的處理等。ThinkPHP框架將結(jié)構(gòu)分層，不僅使得用戶操作清晰，網(wǎng)頁(yè)結(jié)構(gòu)分明，而且簡(jiǎn)化了網(wǎng)頁(yè)的開(kāi)發(fā)工作。

3.2 系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

生態(tài)魚(yú)缸環(huán)境管理系統(tǒng)主要由用戶信息管理、設(shè)備信息管理、采集數(shù)據(jù)顯示和控制參數(shù)調(diào)節(jié)4部分組成，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

用戶信息管理部分包含了登錄、注冊(cè)和信息修改等功能；設(shè)備信息管理部分包含了魚(yú)缸、采集單元和控制單元3

圖9 生態(tài)魚(yú)缸環(huán)境管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

種用戶設(shè)備信息；采集數(shù)據(jù)顯示部分包括水溫值、水濁度和光照值3部分；控制參數(shù)調(diào)節(jié)部分包括水溫調(diào)節(jié)、濁度調(diào)節(jié)和光照調(diào)節(jié)3部分。生態(tài)魚(yú)缸系統(tǒng)運(yùn)行圖如圖10所示。

圖10 智能生態(tài)魚(yú)缸系統(tǒng)運(yùn)行圖

4 結(jié)論

本文利用物聯(lián)網(wǎng)的“端管云”基本思想，提出了基于ZigBee 技術(shù)的智能生態(tài)魚(yú)缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整、可擴(kuò)展的生態(tài)魚(yú)缸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)中各個(gè)子模塊硬件、軟件較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，目前該系統(tǒng)已投入使用并運(yùn)行穩(wěn)定。

本系統(tǒng)采用的ZigBee技術(shù)可作為一種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)終端，為用戶實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)采集功能，具有很好地可擴(kuò)展性和可移植性，對(duì)于各種安防監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建具有重要的參考價(jià)值。

[1] 王翠茹，于祥兵，王成福. 基于ZigBee技術(shù)的溫度采集傳輸系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008(7):103- 106.

[2] Zhang Weicong, Yu Xinwu, Li Zhongcheng. Wireless network sensor node design based on CC2530 and ZigBee protocol stack [J].Computer Systems & Applications, 2011 (20): 184-187.

[3] Texas Instruments. Chipcon products from Texas Instruments CC2530 datasheet [EB/OL].[2016-08-01]. http://www.ti.com.

[4] WANG J, LIU T. Application of wireless sensor network in Yangtze River basin water environment monitoring[C]. Control and Decision Conference, IEEE,2015: 5981- 5985.

Design and implementation of intelligent ecological fish tank system based on Internet of Things

Sun Hongbo

(College of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003 ，China)

This paper designs an environmental monitoring system of the ecological fish tank based on the Internet of Things， it is mainly composed of three parts, which are information collection and control, data transmission and data information management system. Firstly, it uses the sensor sensing technology to collect the environmental information in the ecological fish tank. Secondly, it sends the collected data to the control center node through the wireless ZigBee transmission technology. Then, the control center node is uploaded to the background server through the communication gateway. Finally, the server sends control commands to the terminal nodes of each device through the data gateway, and realizes the automatic regulation of the fish tank environment. The results show that the system is stable and can meet the needs of real-time and dynamic monitoring of the ecological environment of the fish tank.

sensor; ZigBee; intelligent control; Internet of Things

TP212.9

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.23.020

孫洪波. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能生態(tài)魚(yú)缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(23)：69-72.

2016-08-15)

孫洪波(1985-)，男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信技術(shù)。