基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚缸

華 蕊 單超穎 趙 凱 茹鑫華 王如意 張 歡

(沈陽城市建設(shè)學(xué)院信息與控制工程系，遼寧 沈陽 110167)

0 引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)和綜合國力的逐步增強(qiáng)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也慢慢走進(jìn)我們的生活當(dāng)中并且和整個社會密不可分。如今，我國逐步進(jìn)入了智能物聯(lián)AIOT時代，許多傳統(tǒng)的生活物品已經(jīng)不能滿足人們的需求了。比如傳統(tǒng)魚缸遠(yuǎn)不能滿足用戶所面臨的臨時加班、出差等狀況。所以本文提出了一種通過物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)人們和魚缸之間的感知和通信的智能魚缸，更加有效地改善了繁瑣的傳統(tǒng)的管理模式。該魚缸將水質(zhì)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)運(yùn)用Wi-Fi無線技術(shù)傳輸給OneNET平臺，通過手機(jī)App和語音來控制相關(guān)設(shè)備，該研究項(xiàng)目不僅僅是對于家用魚缸的功能開發(fā)與改進(jìn)，打破了時間和空間的束縛，對于類似的智能家居產(chǎn)品的研究與生產(chǎn)有較高價值。

1 設(shè)計思路

作品主要包括了主控部分、輸入部分和云服務(wù)部分，構(gòu)建了一個完整的設(shè)計模型。主控部分主要是完成MCU下發(fā)的指令控制，包括換水開關(guān)，恒溫開關(guān)以及投食等；輸入部分是傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于檢測魚缸的一系列環(huán)境數(shù)據(jù)變化；云服務(wù)部分是用戶界面、完整的用戶指令分發(fā)、人機(jī)交互信息等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件部分

2.1 語音識別模塊

語音識別協(xié)處理模塊HBR640：本文設(shè)計所用HBR640模塊，該模塊使用Flash存儲數(shù)據(jù)，掉電可保存，工作時無須重新配置語音命令。通過語音下達(dá)命令控制繼電器的開合，因語音模塊具有較高的識別精度和實(shí)用效果，所以不需要用戶記錄訓(xùn)練，只要語音輸入關(guān)鍵字或者詞，便可進(jìn)行識別，識別出的關(guān)鍵字可以字符串的形式傳輸?shù)叫酒希丛谙乱淮巫R別時立即生效。例如，在對控制芯片進(jìn)行編程中，只要設(shè)置芯片的寄存器，就可以動態(tài)地將識別“開燈加熱”等關(guān)鍵詞的內(nèi)容傳送到芯片上，芯片就可以識別這樣設(shè)置的關(guān)鍵詞并打開燈加熱裝置。

2.2 傳感器模塊

(1)濁度模塊是通過測量水中雜質(zhì)的傳感器模塊。它通過測量水中懸浮固體總量(TSS)的變化，來測量水中懸浮顆粒物的光透過率和散射率，利用光來檢測懸浮顆粒物。隨著TTS增加，液體濁度水平增加。其工作電壓為5V，工作溫度為5℃～90℃。其功能就是實(shí)時檢測魚缸中各項(xiàng)指標(biāo)中的數(shù)值，并反饋至主控制器。

(2)溫度傳感器 DS18B20：該傳感器溫度測量精確度較高，溫度測量范圍為-55℃～+125℃，測溫分辨率可達(dá)0.0625℃，在很短的時間內(nèi)就可以將外界的溫度模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，存儲在自己的存儲器中。

(3)Esp8266模塊是用于數(shù)據(jù)傳輸，即通過at命令配置在AP模式下連接Wi-Fi，攜帶onenet云平臺的EDP網(wǎng)絡(luò)鏈路協(xié)議包，將主控芯片經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)，實(shí)時上報OneNET云平臺，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理繪制成曲線圖，并由OneNET云平臺傳輸至手機(jī)App使其可被用戶直接觀察變化情況，同時可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

(4)外部設(shè)備主要由主控控制繼電器開合將加熱裝置、供氧裝置、水交換裝置做出反應(yīng)的外接設(shè)備。可以由手機(jī)端控制繼電器的開合來進(jìn)行開燈加熱、注氧、抽水排污一系列措施。

(5)燈光改造選用了高亮LED，設(shè)置在了魚缸蓋子的頂部，根據(jù)魚缸的特殊物理位置，在后蓋打眼作為LED等的入線口，再用扎帶綁牢固，將控制線接于繼電器。

3 物聯(lián)網(wǎng)平臺接入

本作品采用的軟件開發(fā)環(huán)境為keilMDK5，使用的語言為c語言。本系統(tǒng)使用的云平臺是OneNet物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，為設(shè)備提供可靠傳輸，幫助各式各樣的終端設(shè)備快速接入網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與存儲，以及數(shù)據(jù)的管理等非常完整的交互流程形式。為了在傳輸?shù)倪^程中保障信息的質(zhì)量、信息的正確和及時。在本次設(shè)計中，我們將使用由OneNet云平臺基于物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)量身定做的協(xié)議——EDP傳輸協(xié)議。

EDP(Enhanced Device Protocol)，長連接協(xié)議，在傳輸?shù)倪^程中，可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)加密處理，保障了其安全性；支持離線信息，可存儲信息等。它的一些基本操作步驟是：創(chuàng)建產(chǎn)品(針對第一次使用此協(xié)議)，注冊設(shè)備(針對第一次使用此協(xié)議)，生成應(yīng)用(針對第一次使用此協(xié)議)，連接平臺，連接設(shè)備，保持設(shè)備始終在線，上報數(shù)據(jù)流到設(shè)備中，平臺下發(fā)命令到設(shè)備，設(shè)備處理命令的同時執(zhí)行相應(yīng)的操作。

平臺下發(fā)指令，手機(jī)App能夠接收OneNET平臺發(fā)送的數(shù)據(jù)，用戶通過錄入身份信息設(shè)權(quán)限，登錄個人信息便可實(shí)時監(jiān)測水質(zhì)狀況，也可根據(jù)適宜魚兒生活的環(huán)境來設(shè)置數(shù)據(jù)，使智能魚缸適用不同種環(huán)境而發(fā)揮作用；用戶根據(jù)數(shù)據(jù)對比，可遠(yuǎn)距離操控魚缸各項(xiàng)功能，解決臨時加班、出差等狀況。

4 系統(tǒng)創(chuàng)新

本設(shè)計基于在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上將智能的思想與傳統(tǒng)的魚缸相結(jié)合，對傳統(tǒng)魚缸的一些不足進(jìn)行了彌補(bǔ)，并進(jìn)行一些創(chuàng)新，制造出一款新型的智能魚缸。

智能魚缸與傳統(tǒng)魚缸不同，智能魚缸相比于傳統(tǒng)魚缸有以下特點(diǎn)：可以調(diào)節(jié)、控制魚缸內(nèi)部的溫度，使溫度達(dá)到理想狀態(tài)；智能魚缸還可以檢測水中雜質(zhì)的多少，進(jìn)而判斷魚缸內(nèi)水的渾濁度，從而達(dá)到及時換水的功效；本系統(tǒng)對水位線的控制也達(dá)到了成熟的狀態(tài)，能準(zhǔn)確地感應(yīng)水位線的位置，進(jìn)而停止儲水。本作品的最大特點(diǎn)就是：通過語音識別對魚缸系統(tǒng)進(jìn)行操控。綜合以上智能魚缸特點(diǎn)讓魚缸成功地減少了人工操作的步驟，使魚缸達(dá)到良好狀態(tài)。

(1)本系統(tǒng)通過采用ESP8266Wi-Fi無線連接技術(shù)將數(shù)據(jù)無線傳輸給終端，不需要復(fù)雜的綜合布線即可實(shí)現(xiàn)發(fā)送信號并接入設(shè)備，為本作品奠定良好的基礎(chǔ)。

(2)用戶通過使用手機(jī)設(shè)備云與OneNET云平臺連接，可以遠(yuǎn)程操控魚缸內(nèi)部各個角落的傳感器的開與關(guān)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

(3)手機(jī)遠(yuǎn)程控制魚缸外部設(shè)備加熱供氧等功能。用戶可以下載魚缸專屬的App，對魚缸裝置進(jìn)行一個遠(yuǎn)程控制，不管我們是出門在外，還是躺在床上沙發(fā)上都可以對魚缸實(shí)現(xiàn)控制。

(4)可以通過語音模塊輸入執(zhí)行命令，語音輸入關(guān)鍵字詞，MCU識別到的關(guān)鍵字詞來控制繼電器的開合進(jìn)行加熱供氧換水等。

(5)多種傳感器來實(shí)時檢測水質(zhì)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波算法，得到有效的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)反饋給MCU進(jìn)行處理。

5 總結(jié)

本系統(tǒng)的設(shè)計以STM32單片機(jī)為控制核心，以ESP8266模塊作為數(shù)據(jù)傳輸橋梁，利用各類傳感器將水中的酸堿度、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，反饋至主控芯片，由MCU處理、對比，并將數(shù)據(jù)通過ESP8266模塊傳送至設(shè)備云，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理繪制成曲線圖并進(jìn)行儲存后發(fā)送到用戶手機(jī)端。用戶可以觀察采集的數(shù)據(jù)圖形和云平臺推送的以往的養(yǎng)魚經(jīng)驗(yàn)兩者進(jìn)行對比，在外工作時用戶可以直接從手機(jī)端下達(dá)命令，命令會經(jīng)過設(shè)備云傳輸至主控制芯片，通過控制繼電器的開合來控制外部設(shè)備的加熱、供氧等裝置的工作。若在家時，除了可以由手機(jī)端下達(dá)命令外，還可以通過智能魚缸安裝的語音模塊語音輸入關(guān)鍵字或詞，通過繼電器的開合也能實(shí)現(xiàn)控制外部設(shè)備的相關(guān)功能。所以此基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚缸，不管你在家，還是因?yàn)闊o法立即回家的在外工作者，都可以對魚缸內(nèi)的環(huán)境及時了解掌控，能實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)之間的交互。