應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的智能生態(tài)水族箱

賴瑞鏹

摘 要：為了提高養(yǎng)魚(yú)的成活率及便捷性，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的智能生態(tài)水族箱。該智能生態(tài)水族箱以Arduino UNO R3為主控板，利用溫度、光照、水位等傳感器檢測(cè)水族箱狀態(tài)，使用ESP-8285 WiFi模塊傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)PC端、手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)控。下位機(jī)各傳感器檢測(cè)水族箱情況，通過(guò)ESP-8285 WiFi模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)截悮ぞW(wǎng)平臺(tái)。用戶可登陸PC端、手機(jī)端查看數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)超過(guò)或者低于預(yù)設(shè)值，下位機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)終端接收到信號(hào)，用戶可對(duì)水族箱進(jìn)行干預(yù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);Arduino;水族箱;遠(yuǎn)程監(jiān)控;成活率;WiFi

0 引 言

水族箱和觀賞魚(yú)越來(lái)越被人們喜歡，也逐漸成為現(xiàn)代家庭的一種時(shí)尚、一種新寵。但在養(yǎng)魚(yú)時(shí)會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)換水不及時(shí)、水溫過(guò)高等情況導(dǎo)致觀賞魚(yú)的成活率減低。同時(shí)隨著智能技術(shù)不斷在智能家居中應(yīng)用，水族箱的智能化得到不斷提高。但是現(xiàn)在市場(chǎng)上已有的水族箱功能都較簡(jiǎn)單，例如定時(shí)喂食功能;而且很多功能都是非常分散的，需要用戶自行組裝[1]。根據(jù)這些情況設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的智能生態(tài)水族箱。通過(guò)ESP-8285 WiFi模塊傳輸下位機(jī)檢測(cè)到的環(huán)境溫度、水溫、光照度等參數(shù)，并將參數(shù)實(shí)時(shí)上傳到貝殼網(wǎng)平臺(tái)，用戶可登錄PC端、手機(jī)端、微信小程序查看實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù);下位機(jī)顯示屏顯示時(shí)間和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)接入天貓精靈可通過(guò)語(yǔ)音控制系統(tǒng)的水循環(huán)來(lái)增加水溶氧量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能生態(tài)水族箱下位機(jī)以Arduino UNO R3為主控板，包含：水循環(huán)控制模塊、水位、水溫、環(huán)境溫度、大氣壓強(qiáng)檢測(cè)模塊、光照度檢測(cè)模塊、顯示模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 水溫檢測(cè)模塊

大多數(shù)的熱帶觀賞魚(yú)適合的溫度最好控制在22～28 ℃，水溫的驟變會(huì)導(dǎo)致魚(yú)患感冒，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水族箱水的溫度是很重要的。本系統(tǒng)檢測(cè)水族箱溫度采用的是DS18B20數(shù)字化溫度傳感器;該傳感器的探頭采用導(dǎo)熱性高的密封膠灌封，保證了溫度傳感器的高靈敏性[2]。探頭采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼管封裝具有防水、防潮、防生銹等特點(diǎn)。該傳感器在-10～85 ℃范圍內(nèi)精度為±5 ℃，適用于觀賞魚(yú)生存溫度的檢測(cè)。DS18B20以單總線協(xié)議工作，傳感器工作原理如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)送復(fù)位脈沖信號(hào)，DS18B20芯片復(fù)位，接著發(fā)送ROM命令，DS18B20進(jìn)入內(nèi)存訪問(wèn)命令狀態(tài)，啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，溫度轉(zhuǎn)換完成后;發(fā)送RAM命令讀取溫度，單片機(jī)讀取到RAM中0，1字節(jié)完成溫度檢測(cè)。傳感器采用獨(dú)特的接口方式—單線，即DS18B20傳感器與單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)只要一條數(shù)據(jù)線即可。因此傳感器與單片機(jī)之間的連接只需一條數(shù)據(jù)線再加上VCC和GND即可。傳感器單線通信不僅提高了系統(tǒng)的抗干擾性也減少了I/O口的占用。

2.2 水位檢測(cè)模塊

保證水族箱里的水位是智能水族箱重要檢測(cè)指標(biāo)之一，有足夠的水才能保證魚(yú)有足夠的活動(dòng)空間。水位檢測(cè)采用的是HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器。HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊是一款非接觸式的測(cè)距傳感器，可測(cè)量范圍為2～400 cm，測(cè)量范圍可通過(guò)模塊上的電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。模塊中電阻越大測(cè)量距離越遠(yuǎn)，探測(cè)角度也越大，最大探測(cè)距離為7 m。為了保證探測(cè)距離的精度，一般電阻調(diào)節(jié)范圍為20～75 kΩ，其測(cè)距精度可高達(dá)3 mm。模塊具有工作電壓寬、頻率高、波長(zhǎng)短、方向性好等特點(diǎn)。整個(gè)模塊包括超聲波發(fā)射端、接收端和控制電路3個(gè)部分[3]。單片機(jī)輸出一個(gè)10 μs以上的脈沖觸發(fā)信號(hào)（TTL電平），模塊中的發(fā)射端連續(xù)發(fā)出8個(gè)40 kHz周期的脈沖信號(hào)。當(dāng)脈沖信號(hào)到達(dá)水面時(shí)信號(hào)返回，接收端檢測(cè)到回波信號(hào)輸出回響信號(hào);接收到的回響信號(hào)的脈沖寬度與測(cè)量的水位（距離）成正比。因此通過(guò)檢測(cè)發(fā)出脈沖信號(hào)到檢測(cè)到回響信號(hào)的時(shí)間間隔t，即可通過(guò)公式計(jì)算得到水位[4]。超聲波的測(cè)量水位計(jì)算公式如下：

由式（1）可計(jì)算得到水位的高度。當(dāng)水位低于設(shè)定值時(shí)下位機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，同時(shí)報(bào)警信號(hào)通過(guò)貝殼網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送到設(shè)備端提醒用戶及時(shí)添加水，保證有足夠的水位。

2.3 光照度檢測(cè)模塊

萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)的說(shuō)法，對(duì)于觀賞魚(yú)也是一樣;足夠的光照不僅能促進(jìn)魚(yú)的新陳代謝，還有利于自來(lái)水中氯氣的揮發(fā)，也能殺死水中的有害菌。光照度檢測(cè)模塊能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)水族箱所處環(huán)境光照強(qiáng)度;當(dāng)光照強(qiáng)度低于水族箱所需時(shí)下位機(jī)開(kāi)啟光源，提供足夠的光照促進(jìn)魚(yú)和水草的生長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)檢測(cè)光照度傳感器采用的是BH1750傳感器，它是一種通用的光照度檢測(cè)模塊，內(nèi)置16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路[5];可直接數(shù)字輸出，減少不必要的計(jì)算，接近于視覺(jué)靈敏度的分光特性;能夠測(cè)量較大范圍的光強(qiáng)度變化，測(cè)量光照度范圍為1～65 535 Lux，測(cè)量精度[6]可達(dá)1 Lux。通過(guò)降低功率功能，實(shí)現(xiàn)低電流化，傳感器模塊不易受到紅外線的影響。

2.4 水循環(huán)控制模塊

氧氣是魚(yú)在水中生存的重要一個(gè)元素，充足的氧氣能提高觀賞魚(yú)的成活率。在不借助外部條件的情況下?lián)Q水和水面與空氣的接觸以及水族箱中水草生物是氧氣的主要來(lái)源，但這些提供的氧氣并不多，因此為了增加水的溶氧量在水族箱的內(nèi)部安裝一個(gè)氣泵;該氣泵能將水抽送到水面上方再流進(jìn)水族箱，水在流動(dòng)過(guò)程中增加與空氣接觸增加了氧氣。本系統(tǒng)氣泵采用的立式迷你直流電機(jī);直流電機(jī)的供電電壓為4.5 V。水循環(huán)的控制由單片機(jī)執(zhí)行，由于單片機(jī)輸出口的電流較小無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)直流電流，因此在電機(jī)與單片機(jī)之間添加驅(qū)動(dòng)電路。

當(dāng)下位機(jī)接收到打開(kāi)水循環(huán)開(kāi)關(guān)的信號(hào)時(shí)，下位機(jī)輸出口輸出高電平，NPN型三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，水泵中的直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)接收到關(guān)閉的信號(hào)時(shí)，輸出口輸出低電平，三極管截止，直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路中二極管為續(xù)流二極管，當(dāng)三極管輸入的電壓變?yōu)?時(shí)，三極管突然由飽和狀態(tài)變?yōu)榻刂?，直流電機(jī)兩端會(huì)產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，其電壓可達(dá)一百多伏，此電壓作用在三極管上會(huì)損壞三極管，因此續(xù)流二極管起到保護(hù)三極管的作用[7]。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)模塊

將下位機(jī)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)模塊實(shí)時(shí)上傳到貝殼網(wǎng)是本系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)上傳到貝殼網(wǎng)用戶可隨時(shí)查詢數(shù)據(jù)不受時(shí)間、地點(diǎn)、設(shè)備限制。本系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)模塊采用的是ESP-8285 WiFi模塊。ESP-8285是一款WiFi控制芯片，集成了射頻、無(wú)線開(kāi)關(guān)、功率放大器、低噪聲接收放大器、濾波器和電源管理模塊[8];模塊內(nèi)置Tensilica L106超低功耗32位微處理器，內(nèi)部有1路10位精度的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（ADC）。物聯(lián)網(wǎng)模塊要接入貝殼網(wǎng)要將ESP-8285模塊配置為透?jìng)髂Ｊ?，本系統(tǒng)使用AT指令進(jìn)行配置。物聯(lián)網(wǎng)模塊接入天貓精靈，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)模塊和天貓精靈同處于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，水循環(huán)的開(kāi)關(guān)通過(guò)天貓精靈控制，同時(shí)也可以通過(guò)PC端、微信小程序、手機(jī)APP輸入相應(yīng)指令控制開(kāi)斷。當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)值高于或者低于設(shè)定值時(shí)，貝殼網(wǎng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，手機(jī)端、微信小程序查看報(bào)警信號(hào)人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)[9]。系統(tǒng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)查看實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化同時(shí)也提高觀賞魚(yú)的成活率。

3 實(shí)物制作

本系統(tǒng)利用仿真軟件進(jìn)行仿真，測(cè)試無(wú)誤之后制作出實(shí)物，系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。

為了準(zhǔn)確檢測(cè)水位將整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)置于水族箱側(cè)上方。系統(tǒng)開(kāi)始工作，各個(gè)傳感器進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)，DS18B20檢測(cè)水溫、超聲波傳感器檢測(cè)水位、BH1750傳感器檢測(cè)光照度、BMP280檢測(cè)環(huán)境溫度這些數(shù)據(jù)通過(guò)ESP-8285 物聯(lián)網(wǎng)傳送到貝殼網(wǎng)，同時(shí)數(shù)據(jù)信息顯示在OLED屏幕上。

本系統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備主要包括智能手機(jī)、電腦等設(shè)備[10]。檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)截悮ぞW(wǎng)，用戶可登錄PC端、微信小程序、手機(jī)APP查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)水族箱狀態(tài)的數(shù)據(jù)可視化，下位機(jī)每5 s傳送1次數(shù)據(jù)。微信小程序、PC端的界面數(shù)據(jù)如圖3和圖4所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文的智能生態(tài)水族箱應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)ESP-8285 WiFi模塊，通過(guò)實(shí)物測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水族箱溫度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水族箱環(huán)境的光照強(qiáng)度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水族箱水位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水族箱環(huán)境溫度，利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了水族箱狀態(tài)的數(shù)據(jù)可視化、控制智能化、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)占用空間小，操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定，成本較低，水循環(huán)可通過(guò)天貓精靈進(jìn)行控制智能化程度較高。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)所占用的I/O口并不多，在設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)留了接口可進(jìn)一步添加功能。

參考文獻(xiàn)

[1]楊冬英.基于單片機(jī)的智能魚(yú)缸設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù)，2017（6）：34-37.

[2]榮華良，劉煜輝.基于單片機(jī)簡(jiǎn)易水情檢測(cè)裝置研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2017，7（20）：25-26.

[3]陳蔚.超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36（5）：182-183.

[4]張桂紅.簡(jiǎn)易水情檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息與電腦（理論版），2017（19）：131-133.

[5]楊世權(quán)，張謙述，周聰.多路BH1750光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].太原學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，36（4）：59-63.

[6]云中華，白天蕊.基于BH1750FVI的室內(nèi)光照強(qiáng)度測(cè)量?jī)x[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12（6）：27-29.

[7]張進(jìn)山.NPN型硅三極管應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[J].電子制作，2017（11）：5-8.

[8]王羽徵，劉丹，于秋玉，等.基于ESP8285的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2019，38（12）：5-9.

[9]張楓沛，肖世德，陶濤，等.基于Android和云平臺(tái)技術(shù)的水族箱遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2018，39（3）：35-38.

[10]劉偉，林開(kāi)司，劉安勇.基于物聯(lián)網(wǎng)的魚(yú)缸智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，25（4）：1-4.