張楓沛，肖世德，陶 濤，周 瑾

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

20世紀(jì)八十年代，美國聯(lián)合公司首次提出智能家居概念[1]。水族箱作為重要裝飾物，智能化、系統(tǒng)化是其未來的發(fā)展方向。突破空間限制，建立技術(shù)先進(jìn)、自動化程度高、運行穩(wěn)定的控制系統(tǒng)[2]，是本課題的研究方向。文獻(xiàn)[3-5]介紹了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6-7]介紹了基于云平臺的遠(yuǎn)程交互式監(jiān)控系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8-9]介紹了基于Android平臺水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測和手機(jī)應(yīng)用程序(application,APP)遠(yuǎn)程監(jiān)控，但在傳輸速率、預(yù)警功能以及現(xiàn)場實景監(jiān)測等方面仍需完善。

本文在Android及云平臺技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種水族箱環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測水族箱各項參數(shù)，并可通過遠(yuǎn)程終端控制投食以及視頻監(jiān)測現(xiàn)場實時情況。系統(tǒng)體積小、操作簡單、數(shù)據(jù)傳輸精準(zhǔn)、動作執(zhí)行準(zhǔn)確。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)分為下位機(jī)、上位機(jī)和智能云平臺。 下位機(jī)以STM32為核心，外圍設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集所需傳感器和相應(yīng)動作執(zhí)行模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理，同時接收從云平臺傳輸過來的控制指令并完成控制。上位機(jī)終端為Android設(shè)備(平板或手機(jī)等)，通過用戶界面反饋水族箱的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶要求下達(dá)指令。當(dāng)上下位機(jī)信號通過WiFi模塊傳輸給云平臺,云平臺根據(jù)預(yù)定程序作出決策。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖 Fig.1 Overall design of the system

系統(tǒng)正常工作，傳感器獲得的參數(shù)通過STM32預(yù)處理后傳輸?shù)皆破脚_，與系統(tǒng)設(shè)定閾值逐次比較并作出決策，根據(jù)決策結(jié)果通知上位機(jī)和控制下位機(jī)。上位機(jī)顯示當(dāng)前水族箱環(huán)境狀態(tài)以及決策控制狀態(tài)。當(dāng)決策結(jié)果為增溫、增氧或添水動作時，信號通過WiFi傳輸至下位機(jī)控制增溫機(jī)、增氧機(jī)和補(bǔ)水泵工作(工作時長固定)；當(dāng)系統(tǒng)工作錯誤或水族箱產(chǎn)生重大環(huán)境變化需要報警時，同時發(fā)送信號給上下位機(jī)。下位機(jī)發(fā)出現(xiàn)場報警信號，上位機(jī)系統(tǒng)終端顯示報警信號。投食作為無信號反饋型動作，需從上位機(jī)終端給出操作命令，設(shè)置有手動投食和定時投食兩種模式，每次投食時間默認(rèn)為15 s；命令通過WiFi傳輸至云平臺進(jìn)行決策，再將決策結(jié)果傳輸至下位機(jī)控制投食機(jī)工作。同理，用戶可根據(jù)需求給出視頻監(jiān)控命令，通過相同過程傳達(dá)至下位機(jī)，USB攝像頭采集視頻信號后傳達(dá)至上位機(jī)顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件組成

硬件由數(shù)據(jù)采集模塊、處理器模塊、繼電器模塊、動作執(zhí)行模塊和WiFi模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊包括系統(tǒng)傳感器和信號調(diào)理電路；處理器模塊、繼電器模塊和WiFi模塊構(gòu)成主控板；動作執(zhí)行模塊分別響應(yīng)系統(tǒng)給出的升溫、增氧、投食等命令并給出動作。硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計圖 Fig.2 Diagram of hardware design

處理器模塊為ST公司生產(chǎn)的STM32F103。采用TLP2161光耦隔離芯片，防止數(shù)據(jù)采集時的外界干擾。WiFi模塊通過串口與STM32連接，可嵌入外部設(shè)備。通過LM2576s芯片和ASM117-3.3芯片組成電路，將電源電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V,給繼電器和WiFi模塊供電。

2.2 溶氧、水位調(diào)理電路

選擇的溶氧和水位傳感器所輸出信號均為4～20 mA，而STM32只接收0～3.3 V電壓信號，需用調(diào)理電路將電壓信號轉(zhuǎn)化為符合系統(tǒng)需求的電壓信號。調(diào)理電路中，選用光耦隔離芯片HCNR201保證工作區(qū)域的線性要求。

調(diào)理電路接收電流和輸出電壓之間的關(guān)系為：

(1)

式中：R1為可調(diào)電阻，Ω;R3、R5為固定電阻，Ω;K為常數(shù)1。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 云平臺數(shù)據(jù)點設(shè)計

系統(tǒng)選用機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)公司推出的一站式智能硬件開發(fā)及云服務(wù)平臺(機(jī)智云平臺)。選用平臺即服務(wù)(platform as a service，PaaS)模式，數(shù)據(jù)類型為布爾值，GAgent配置入網(wǎng)方式為airlink方式，搜索、綁定設(shè)備選用WiFi模式，下發(fā)、上報設(shè)備數(shù)據(jù)選用廣域網(wǎng)模式[10]。上位機(jī)發(fā)出命令和下位機(jī)狀態(tài)反饋通過GAgent進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，保證通信及時準(zhǔn)確。

3.2 總體軟件設(shè)計

系統(tǒng)總體軟件設(shè)計基于keil uvision5集成環(huán)境，采用C語言程序開發(fā)，并以Source與SrcureCRT為輔開發(fā)驅(qū)動程序。系統(tǒng)上電并成功初始化后，首先判斷有無投食或視頻監(jiān)測命令(用戶端給出)，執(zhí)行相應(yīng)動作；再按序獲取溶氧、水位、溫度和pH值4個參數(shù)。當(dāng)溶氧、水位和溫度小于設(shè)定最低閾值，執(zhí)行相應(yīng)增氧、加水和升溫動作，從而實現(xiàn)自動控制；當(dāng)水位、溫度高于設(shè)定最大閾值(警報值)或pH值超出設(shè)定范圍時，系統(tǒng)發(fā)送警報信息上報上位機(jī)，同時打開下位機(jī)報警繼電器，實現(xiàn)自動預(yù)警。當(dāng)各項數(shù)據(jù)均在正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)將各項數(shù)據(jù)存入數(shù)組，依靠WiFi及智能云傳輸方式發(fā)送至Android端，與用戶交互。軟件設(shè)計如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計圖 Fig.3 Diagram of software design

3.3 監(jiān)測終端設(shè)計

上位機(jī)終端為Android設(shè)備(平板或手機(jī)等)。以JAVA程序語言開發(fā)系統(tǒng)APP，交互界面采用Android平臺自帶UI組件設(shè)計，服務(wù)器采用SQL+SOCKET實現(xiàn)。利用SQLite數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存，結(jié)合SOCKET完成網(wǎng)絡(luò)通信[11-12]。利用Eclipse軟件中Bin目錄中編譯生成的APK文件可直接安裝在Android手機(jī)或平板上。相比傳統(tǒng)的有線通信以及Z-Wave、ZigBee等無線通信方式，系統(tǒng)采用WiFi通信技術(shù)，減少了時間、空間、環(huán)境的限制，并且具備大量數(shù)據(jù)傳輸能力和超高傳輸速率等優(yōu)點。用戶直接通過APP交互界面監(jiān)控，方便快捷。

應(yīng)用Android平臺自帶UI組件設(shè)計交互界面，包括登陸界面和主控界面和視頻界面。用戶通過登陸界面進(jìn)入主控界面，實時查看水族箱各項，可通過視頻界面實時查看現(xiàn)場視頻，并可截圖保存實時狀況。數(shù)據(jù)異常時，系統(tǒng)會通過彈窗模式提醒用戶查看數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)已在試驗室搭建成功，水族箱大小為40 cm×35 cm×40 cm。水溫閾值范圍設(shè)定為22～30 ℃，水位閾值范圍為25～30 cm，pH閾值范圍設(shè)定為7.1～8.8，溶氧閾值最低值設(shè)定為7.8mg/L?？紤]到執(zhí)行機(jī)構(gòu)周邊環(huán)境會影響傳感器的讀取準(zhǔn)確度，相應(yīng)傳感器均安裝在遠(yuǎn)離執(zhí)行機(jī)構(gòu)端；同時，考慮到不同水深的溶氧值會有區(qū)別，溶氧傳感器安裝在15cm處(水位中段)；增氧機(jī)導(dǎo)管安裝于水族箱底部，達(dá)到充分供氧。增氧機(jī)、增溫機(jī)、投食機(jī)和報警裝置直接與繼電器連接，并由程序控制。對水族箱進(jìn)行24 h監(jiān)測，每隔2 h記錄一次數(shù)據(jù)。表1為某天系統(tǒng)測試結(jié)果。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果Tab.1 Results of system test

由表1可知，結(jié)合Android及云平臺技術(shù)，控制系統(tǒng)可實時監(jiān)測溫度、溶氧、pH、水位參數(shù)，并同時對溫度、水位和溶氧進(jìn)行自動控制。水族箱內(nèi)各參數(shù)在監(jiān)控時間內(nèi)均保持穩(wěn)定。其中：溫度穩(wěn)定在25 ℃左右，溶氧值穩(wěn)定在8.1 mg/L左右，水位穩(wěn)定在28 cm左右。pH值與投食量、換水頻率和魚類排泄等有關(guān)系。一旦超過閾值，系統(tǒng)則會報警，監(jiān)測期間pH值穩(wěn)定在8.1左右。投食動作為用戶端主動給出，表中未記錄。測試可知，該系統(tǒng)能保證溶養(yǎng)和水位的精確度在0.3 mg/L和2 cm之內(nèi)，保證溫度控制在22 ℃以上的觀賞魚生存適宜范圍，滿足觀賞魚養(yǎng)殖的需求。系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實時性、便捷性，在各項數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值時，用戶端和水族箱現(xiàn)場均能報警提醒，并可通過用戶端視頻監(jiān)測現(xiàn)場情況。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)充分利用了云平臺和Android操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳輸便捷性和開發(fā)優(yōu)勢，配合STM32控制器，實現(xiàn)了智能水族箱系統(tǒng)的高效、及時的監(jiān)控管理。根據(jù)當(dāng)代家居環(huán)境的要求，提出了以遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式管理水族箱系統(tǒng)的設(shè)計模式，并通過實物驗證。測試表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度、溶氧、pH值、水位4個參數(shù)的實時監(jiān)測，并達(dá)到自動控制效果，同時實現(xiàn)了視頻監(jiān)控功能，滿足了當(dāng)代對家居舒適性、智能性的要求。

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