物聯(lián)網(wǎng)魚缸智能控制系統(tǒng)設(shè)計

張勝男 楊榮國

摘 要：針對物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)中對魚缸環(huán)境智能控制的需求，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32為控制核心，采集多項環(huán)境信息分析、處理后通過電機(jī)、閥門等控制水泵和氣泵等來維持魚缸的健康環(huán)境;數(shù)據(jù)經(jīng)過ESP8266網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊，通過SIM900A發(fā)送短信報警信息。用戶可通過手機(jī)等終端實時查看魚缸環(huán)境，并進(jìn)行遠(yuǎn)程操控;或設(shè)置系統(tǒng)全自動運(yùn)行，并可以方便的加入整個物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng);云服務(wù);智能家居

中圖分類號：TB ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.06.095

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)逐漸進(jìn)入普及化時代，作為家居常見的觀賞裝備，魚缸也是這個鏈條上不可或缺的一環(huán)。目前的智能魚缸只能完成簡單的投食和水溫等自動控制，對于魚缸環(huán)境其它性能指標(biāo)要求沒有控制，無法實現(xiàn)魚缸環(huán)境的完全智能化控制，造成用戶的使用局限。最新提出的物聯(lián)網(wǎng)魚缸主要從魚缸的各項指標(biāo)的滿足和實現(xiàn)完全智能化及遠(yuǎn)程操作等方面考慮，本文針對物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)的智能需求，構(gòu)建魚缸自動控制系統(tǒng)，通過對各種傳感器采集數(shù)據(jù)的分析和處理，從而實現(xiàn)對魚缸環(huán)境的監(jiān)控，并通過云平臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程移動或PC終端控制。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)魚缸遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要有四部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊、執(zhí)行模塊和遠(yuǎn)程通信模塊。

為了獲得魚缸環(huán)境的實時有效信息，系統(tǒng)安裝了溶解氧傳感器、溫度傳感器、pH值檢測傳感器、TDS（總?cè)芙夤腆w）傳感器、OPR（氧化還原電位）傳感器、水流量傳感器（水泵壓力）、氣流量傳感器等用于環(huán)境數(shù)據(jù)采集。STM32對采集的信息進(jìn)行存儲和分析，并通過7寸TFT彩色液晶屏實時顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)值及漏水的狀態(tài)值和系統(tǒng)時間，同時每隔20S通過DM900上傳至云平臺便于用戶隨時查看魚缸狀況并進(jìn)行控制?，F(xiàn)場觸摸屏或按鍵可以設(shè)置溶解氧、溫度、pH值檢測、TDS、OPR的報警上下限值以及水泵壓力（出水流量）、氣泵流量的報警閥值及設(shè)備的定時時間段。如果某個參數(shù)達(dá)到報警值，則蜂鳴器報警，同時液晶屏對應(yīng)位置變紅色，并向指定的手機(jī)發(fā)送報警短信，用戶通過按鍵可以手動取消報警狀態(tài)。可以設(shè)置特定的參數(shù)達(dá)到報警值進(jìn)行自動換水，根據(jù)定時時間進(jìn)行燈光、殺菌、造流的控制。用戶通過手機(jī)網(wǎng)頁可以查看系統(tǒng)的傳感器實時數(shù)據(jù)、傳感器報警值、傳感器報警狀態(tài)以及設(shè)備的工作狀態(tài)。系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

系統(tǒng)由STM32F、數(shù)據(jù)采集通道、電源等模塊組成。STM32F能滿足數(shù)據(jù)的多通道無線通信，集成1個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM高級控制定時器，支持電機(jī)控制，集成了高性能DMA控制器，而且所有I/O口一塊映像到16位的外部中斷，幾乎所有的端口均可容忍5V信號。信息采集部分中，溶解氧傳感器分辨率可達(dá)到001ppm;溫度傳感器分辨率可達(dá)到1℃;pH值檢測傳感器分辨率為02pH值檢測;TDS傳感器精度可達(dá)到±3%。

2.2 信息處理子系統(tǒng)硬件設(shè)計

信息處理子系統(tǒng)由微處理器、WiFi模塊、存儲模塊、收發(fā)模塊和顯示單元組成，信息處理電路圖如圖3所示。

控制CPU采用意法公司的嵌入式微控制器STM32F，片內(nèi)集成Cortex-M3內(nèi)核，采用了新型的單線調(diào)試（Single Wire）技術(shù)，有專門的調(diào)試引腳，節(jié)約了大筆的調(diào)試工具費(fèi)用;同時Cortex-M3中還集成了大部分存儲器控制器，這樣降低了設(shè)計難度和應(yīng)用障礙;有片內(nèi)的LDO電壓調(diào)整;而且外圍功能豐富，還有外設(shè)低功率選項，低功耗，低成本，完全能滿足設(shè)計需求。信息可以通過TFT7寸觸屏實時顯示，GSM/GPRS模塊采用SIM900A，尺寸緊湊采用arm926EJ-S架構(gòu)性能強(qiáng)大;待機(jī)模式電流低于18mA;sleep模式低于2mA;可以內(nèi)置客戶應(yīng)用程序，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS（短信，彩信）、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸，串行接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。WIFI模塊采用ESP8266實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與云平臺的數(shù)據(jù)交互。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 信息處理子系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了保證系統(tǒng)信息采集和控制的實時性，系統(tǒng)每20秒鐘更新一次傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)置的報警值、傳感器報警狀態(tài)和設(shè)備工作狀態(tài)。溶解氧傳感器顯示范圍為000-20.00;溫度傳感器范圍為00-80;pH值檢測傳感器的范圍是0.0-14.0;TDS傳感器顯示范圍為0-5000。當(dāng)超過設(shè)定值報警，顯示部分對應(yīng)位置顯示紅色;平時正常狀態(tài)顯示藍(lán)色。水流壓力值為百分?jǐn)?shù)，記錄初始的水流量（默認(rèn)為最大值），采集系統(tǒng)工作的實時流量與初始值進(jìn)行百分比計算，范圍0%-100%。氣流量傳感器：記錄初始的氣流量（默認(rèn)為最大值），采集系統(tǒng)工作的實時流量值與初始值進(jìn)行百分比運(yùn)算，范圍0%-100%。水流、氣流、水位、漏水、停電顯示狀態(tài)，當(dāng)超過設(shè)定值，報警狀態(tài)顯示部分對應(yīng)位置顯示紅色，平時正常狀態(tài)顯示白色。

圖4所示按鍵設(shè)置界面為總菜單，具體設(shè)置兩級界面。觸摸界面可以選擇添加，TFT液晶屏實時顯示傳感器采集的值，并在指定范圍內(nèi)顯示，達(dá)到對應(yīng)的精度。

報警值可以通過按鍵或觸摸屏方式設(shè)置，四個按鍵分為：設(shè)置、加、減、確定按鍵。長按設(shè)置按鍵，進(jìn)入設(shè)置界面，通過加、減鍵可以選擇：“溫度/溶解氧/pH值檢測/TDS/OPR報警參數(shù)設(shè)置”“氣流量/水流量報警參數(shù)設(shè)置”“系統(tǒng)時間/定時時間設(shè)置”“GPRS網(wǎng)絡(luò)設(shè)置”“換水水量設(shè)置”。選擇“確定鍵”可以進(jìn)入對應(yīng)的設(shè)置界面，軟件設(shè)計流程如圖5所示。

溫度/溶解氧/pH值檢測/TDS報警參數(shù)設(shè)置（不同種類可以根據(jù)需要設(shè)置）：溫度：XX-YY，溶解氧：XX.XX-YY.YY，pH值檢測：XX.X-YY.Y，TDS：XXXX-YYYY，OPR：預(yù)留。氣流量/水流量/水壓報警參數(shù)設(shè)置：氣流量：一級報警：XX 二級報警：XX 三級報警：XX 級數(shù)越高優(yōu)先級越高;水流量：一級報警：XX 二級報警：XX 三級報警：XX 級數(shù)越高優(yōu)先級越高;圖6以水流量報警流程為例說明報警程序的設(shè)計方案。

還可以設(shè)置燈光定時1、2：XX時-XX分;殺菌定時1、2：XX時-XX分;造流定時1、2：XX時-XX分。GPRS網(wǎng)絡(luò)設(shè)置接收短信手機(jī)號碼1、2：XXXXXXXXXXX;換水時間1：XX時-XX分、換水流量：XXX。通過設(shè)置鍵和加減鍵設(shè)置對應(yīng)的數(shù)據(jù)，短按確定鍵保存選擇項，長按確定鍵可以退出當(dāng)前界面，返回上一級界面。

3.2 自動換水子系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)在設(shè)定的換水時間且水位高于最高閾值，或pH值檢測低于下限值且水位高于最低閾值，或TDS高于上限值且水位高于最低閾值，三種情況都可啟動自動換水程序。先啟動排水，至水量達(dá)到設(shè)定值或低于下限閾值開始加水，至水位高于最高閾值停止加水。如用戶設(shè)置的換水量不足，引起了pH值檢測下降到了設(shè)定的下限值，或TDS上升到了設(shè)置的上限值，系統(tǒng)會短信提醒用戶進(jìn)行強(qiáng)制換水，或提高換水量設(shè)定值。

4 實驗結(jié)果

圖8三個圖片為手機(jī)查看監(jiān)控的效果，點(diǎn)擊手機(jī)桌面的圖標(biāo)進(jìn)入第1張圖的登錄界面，輸入特定的用戶名和密碼?？梢赃M(jìn)入第2張圖的主控界面，紅色字體的數(shù)字為通過GPRS或WIFI傳輸?shù)膶崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)，每20秒更新一次。點(diǎn)擊下面的“換水”“排水”等六個按鈕，硬件系統(tǒng)可以打開相應(yīng)設(shè)備，接收到傳感器的數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊每個數(shù)據(jù)后面“曲線”按鈕可以查看指定時間段的曲線（默認(rèn)顯示10分種內(nèi)的曲線，可以選擇查看1個小時、3個小時、12個小時、3天等時間段的數(shù)據(jù)）。

5 結(jié)論

魚缸監(jiān)控系統(tǒng)通過各類適用的傳感器實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時在TFT觸屏上，同時通過云端可以在移動終端上進(jìn)行查看;如有任何異常，現(xiàn)場會有報警，同時還會發(fā)送短信至手機(jī)終端，以便用戶可以及時采取相應(yīng)措施。實驗證明：設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)魚缸系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)能實時提示魚缸環(huán)境的實際數(shù)據(jù)，運(yùn)行穩(wěn)定且功耗小、成本低，能滿足用戶的基本要求。而且作為物聯(lián)網(wǎng)家居的一個環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)可以實時上傳云端，擴(kuò)展性號，后期可直接加入整個物聯(lián)網(wǎng)家居控制系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用前景。

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