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)魚缸系統(tǒng)設(shè)計與實現(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)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)魚缸環(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)魚缸內(nèi)的環(huán)境信息，并將采集數(shù)據(jù)通過無線ZigBee傳輸技術(shù)發(fā)送至控制中心節(jié)點，然后通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)上傳到后臺服務(wù)器，最終由服務(wù)器將控制命令發(fā)往各個設(shè)備終端節(jié)點，實現(xiàn)魚缸環(huán)境的自動調(diào)節(jié)。實際使用表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠滿足實時、動態(tài)的魚缸生態(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)、自動化技術(shù)以及人工智能結(jié)合在一起。本文從魚類生活環(huán)境因素分析，設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)魚缸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。智能生態(tài)魚缸通過部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)測魚缸內(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，回送控制命令對魚缸環(huán)境進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，不僅為魚類提供了適宜的環(huán)境，同時也將大大降低魚類養(yǎng)殖的復(fù)雜性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

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

(1)實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過溫度、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)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集功能，方便用戶實時了解魚缸環(huán)境的變化。

(2)隨時隨地查看魚缸環(huán)境變化。用戶可通過內(nèi)網(wǎng)登錄智能生態(tài)魚缸管理系統(tǒng)，實時查看魚缸內(nèi)水溫、水位、水濁度、光照強度等環(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)魚缸管理系統(tǒng)中調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值范圍，例如通過最高溫和最低溫設(shè)置，若當(dāng)前采集的魚缸水溫超出數(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。用戶通過智能生態(tài)魚缸管理系統(tǒng)，添加或刪除魚缸、采集單元、控制單元等用戶設(shè)備，實現(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

本文以魚缸為研究對象，根據(jù)上文的功能需求分析，開發(fā)了基于ZigBee無線通信技術(shù)[1]的智能生態(tài)魚缸管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)魚缸環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動調(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)魚缸管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

信號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應(yīng)的溫度、水濁度、水位、光強度等傳感器模塊，控制單元包含了低壓加熱棒、水泵、補光燈等外部控制設(shè)備，實現(xiàn)魚缸內(nèi)部環(huán)境的自動控制。

數(shù)據(jù)傳輸部分主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和后臺服務(wù)器組成。根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點以及本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，采用了星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由單個協(xié)調(diào)器節(jié)點以及若干個終端節(jié)點組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸[2]。協(xié)調(diào)器節(jié)點與ARM控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的發(fā)送和自動控制命令的接收。網(wǎng)關(guān)能夠通過Internet訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器，實現(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。

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)庫存儲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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時上傳，服務(wù)器接收到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化處理，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時存儲。用戶管理模塊主要搭建了智能生態(tài)魚缸環(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

2.1 控制模塊設(shè)計

本系統(tǒng)的控制模塊由一個可遠(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，其中每一個插座與一個5 V繼電器模塊連接，通過終端設(shè)備的數(shù)字I/O進(jìn)行繼電器高電平觸發(fā)，再配合ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)外部設(shè)備的遠(yuǎn)程開關(guān)控制，達(dá)到魚缸環(huán)境的自動調(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)即說明當(dāng)觸發(fā)端有輸入高電平時，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)于一個自動開關(guān)，只需通過ZigBee CC2530控制[3]各繼電器觸發(fā)端的高低電平即可實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

2.2 感知模塊設(shè)計

本系統(tǒng)的采集端主要包含溫度、水濁度、水位、光強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)計框圖如圖3所示。

圖3 采集端硬件設(shè)計框圖

2.2.1 水溫傳感器模塊

本系統(tǒng)需要測量魚缸水體溫度，而且直接深入魚缸水體內(nèi)部對溫度進(jìn)行測量，因此采用了防水的DS18B20數(shù)字溫度傳感器探頭。并且通過傳感器適配器來增加上拉電阻，以實現(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、溫度報警觸發(fā)器、暫存器以及64位ROM，共含有3個管腳：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端通過適配器直接與CC2530的一個數(shù)字I/O口連接，即可實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的讀取。同時，其ROM中具有獨特的唯一64位序列號，可實現(xiàn)同一總線上的分布式溫度測量，即當(dāng)魚缸較大時，可在多處配置實現(xiàn)多點溫度測量。其供電范圍為3.0 V～5.5 V，所以可直接通過數(shù)據(jù)線供電。其溫度測量范圍為-55 ℃～+125 ℃，由于魚類一般可承受溫度范圍為0 ℃～35 ℃，所以適用于魚缸水溫的測量。另外，DS18B20的最大測量時延為750 ms，在-10 ℃～+85 ℃范圍內(nèi)的測量精度為±0.5℃，同時具備9～12位可調(diào)分辨率。根據(jù)其時延短、精度高的特性，可知DS18B20適用于溫度的實時測量和自動控制系統(tǒng)。

2.2.2 水濁度傳感器

為了測量魚缸水體的渾濁程度，本系統(tǒng)采用了水濁度傳感器進(jìn)行實時監(jiān)測。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)光線入射時會出現(xiàn)散射現(xiàn)象。因此根據(jù)測量水體的透光率和散射率結(jié)果，能夠計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)部主要由紅外線對管、透射光光電池和散射光光電池組成。當(dāng)光線穿過水體時，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，則測得的電流就越小，那么通過電阻轉(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。通過測量可知，1 000 NTU時約為35.5%渾濁度，3 000 NTU時約為67.2%渾濁度。因此，當(dāng)水濁度小于1 000 NTU時為低濁度,在1 000 NTU～3 000NTU時為中濁度，大于3 000 NTU時為高濁度。

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。本系統(tǒng)選擇模擬量輸出，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理，連接到CC2530的數(shù)字I/O口，實現(xiàn)水濁度的實時測量。

2.2.3 水位傳感器

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

圖6 水位傳感器實物圖

水位傳感器利用表面的平行導(dǎo)線來測量所接觸的水量大小，從而判定水位，并且輸出模擬量，實現(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，需通過模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行采樣處理，才可直接通過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個模擬輸入端、1個模擬輸出端和1個串行I2C總線接口，故可實現(xiàn)最多4個模擬輸出傳感器同時進(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)信號通過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，所以讀寫數(shù)據(jù)需遵循I2C總線協(xié)議。

2.2.5 數(shù)字光強度傳感器模塊

本模塊主要包含了BH1750數(shù)字光強度傳感器，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)境光照的自動控制系統(tǒng)，可檢測光強度范圍為0～65 535 lx。其中，運算放大器將光敏二極管電流轉(zhuǎn)換為電壓，再經(jīng)過內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器，輸出16位數(shù)據(jù)，通過I2C總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，BH1750光強度數(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

3.1 系統(tǒng)運行環(huán)境

用戶后臺管理系統(tǒng)采用了WAMP集成開發(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)庫和PHP腳本語言的一種集成開發(fā)環(huán)境。

本系統(tǒng)開發(fā)采用了ThinkPHP3.2框架，ThinkPHP是開源開發(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)庫的操作；視圖層主要包括模板和模板引擎，即網(wǎng)頁的布局、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)頁結(jié)構(gòu)分明，而且簡化了網(wǎng)頁的開發(fā)工作。

3.2 系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

生態(tài)魚缸環(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、注冊和信息修改等功能；設(shè)備信息管理部分包含了魚缸、采集單元和控制單元3

圖9 生態(tài)魚缸環(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)魚缸系統(tǒng)運行圖如圖10所示。

圖10 智能生態(tài)魚缸系統(tǒng)運行圖

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)魚缸系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了一個完整、可擴展的生態(tài)魚缸監(jiān)測系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)中各個子模塊硬件、軟件較為詳細(xì)的設(shè)計方案，目前該系統(tǒng)已投入使用并運行穩(wěn)定。

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

[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)魚缸系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(23)：69-72.

2016-08-15)

孫洪波(1985-)，男，碩士，助理實驗師，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、無線通信技術(shù)。