物聯(lián)網(wǎng)魚缸智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張勝男 楊榮國(guó)

摘 要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)中對(duì)魚缸環(huán)境智能控制的需求，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32為控制核心，采集多項(xiàng)環(huán)境信息分析、處理后通過(guò)電機(jī)、閥門等控制水泵和氣泵等來(lái)維持魚缸的健康環(huán)境;數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)ESP8266網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊，通過(guò)SIM900A發(fā)送短信報(bào)警信息。用戶可通過(guò)手機(jī)等終端實(shí)時(shí)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(dòng)運(yùn)行，并可以方便的加入整個(gè)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(hào)：TB ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shí)代，作為家居常見的觀賞裝備，魚缸也是這個(gè)鏈條上不可或缺的一環(huán)。目前的智能魚缸只能完成簡(jiǎn)單的投食和水溫等自動(dòng)控制，對(duì)于魚缸環(huán)境其它性能指標(biāo)要求沒(méi)有控制，無(wú)法實(shí)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(xiàng)指標(biāo)的滿足和實(shí)現(xiàn)完全智能化及遠(yuǎn)程操作等方面考慮，本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)的智能需求，構(gòu)建魚缸自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)各種傳感器采集數(shù)據(jù)的分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)魚缸環(huán)境的監(jiān)控，并通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程移動(dòng)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(shí)時(shí)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(cè)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(duì)采集的信息進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，并通過(guò)7寸TFT彩色液晶屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)值及漏水的狀態(tài)值和系統(tǒng)時(shí)間，同時(shí)每隔20S通過(guò)DM900上傳至云平臺(tái)便于用戶隨時(shí)查看魚缸狀況并進(jìn)行控制。現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏或按鍵可以設(shè)置溶解氧、溫度、pH值檢測(cè)、TDS、OPR的報(bào)警上下限值以及水泵壓力（出水流量）、氣泵流量的報(bào)警閥值及設(shè)備的定時(shí)時(shí)間段。如果某個(gè)參數(shù)達(dá)到報(bào)警值，則蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)液晶屏對(duì)應(yīng)位置變紅色，并向指定的手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，用戶通過(guò)按鍵可以手動(dòng)取消報(bào)警狀態(tài)。可以設(shè)置特定的參數(shù)達(dá)到報(bào)警值進(jìn)行自動(dòng)換水，根據(jù)定時(shí)時(shí)間進(jìn)行燈光、殺菌、造流的控制。用戶通過(guò)手機(jī)網(wǎng)頁(yè)可以查看系統(tǒng)的傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、傳感器報(bào)警值、傳感器報(bào)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(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

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(wú)線通信，集成1個(gè)16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM高級(jí)控制定時(shí)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(hào)。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(cè)傳感器分辨率為02pH值檢測(cè);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(jì)

信息處理子系統(tǒng)由微處理器、WiFi模塊、存儲(chǔ)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(shí)Cortex-M3中還集成了大部分存儲(chǔ)器控制器，這樣降低了設(shè)計(jì)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(xiàng)，低功耗，低成本，完全能滿足設(shè)計(jì)需求。信息可以通過(guò)TFT7寸觸屏實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS（短信，彩信）、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸，串行接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。WIFI模塊采用ESP8266實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 信息處理子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)信息采集和控制的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)每20秒鐘更新一次傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)置的報(bào)警值、傳感器報(bào)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(cè)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(guò)設(shè)定值報(bào)警，顯示部分對(duì)應(yīng)位置顯示紅色;平時(shí)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(shí)時(shí)流量與初始值進(jìn)行百分比計(jì)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(shí)時(shí)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(guò)設(shè)定值，報(bào)警狀態(tài)顯示部分對(duì)應(yīng)位置顯示紅色，平時(shí)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(jí)界面。觸摸界面可以選擇添加，TFT液晶屏實(shí)時(shí)顯示傳感器采集的值，并在指定范圍內(nèi)顯示，達(dá)到對(duì)應(yīng)的精度。

報(bào)警值可以通過(guò)按鍵或觸摸屏方式設(shè)置，四個(gè)按鍵分為：設(shè)置、加、減、確定按鍵。長(zhǎng)按設(shè)置按鍵，進(jìn)入設(shè)置界面，通過(guò)加、減鍵可以選擇：“溫度/溶解氧/pH值檢測(cè)/TDS/OPR報(bào)警參數(shù)設(shè)置”“氣流量/水流量報(bào)警參數(shù)設(shè)置”“系統(tǒng)時(shí)間/定時(shí)時(shí)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(duì)應(yīng)的設(shè)置界面，軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

溫度/溶解氧/pH值檢測(cè)/TDS報(bào)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(cè)：XX.X-YY.Y，TDS：XXXX-YYYY，OPR：預(yù)留。氣流量/水流量/水壓報(bào)警參數(shù)設(shè)置：氣流量：一級(jí)報(bào)警：XX 二級(jí)報(bào)警：XX 三級(jí)報(bào)警：XX 級(jí)數(shù)越高優(yōu)先級(jí)越高;水流量：一級(jí)報(bào)警：XX 二級(jí)報(bào)警：XX 三級(jí)報(bào)警：XX 級(jí)數(shù)越高優(yōu)先級(jí)越高;圖6以水流量報(bào)警流程為例說(shuō)明報(bào)警程序的設(shè)計(jì)方案。

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

3.2 自動(dòng)換水子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在設(shè)定的換水時(shí)間且水位高于最高閾值，或pH值檢測(cè)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(dòng)自動(dòng)換水程序。先啟動(dòng)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(cè)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(huì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8三個(gè)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。可以進(jìn)入第2張圖的主控界面，紅色字體的數(shù)字為通過(guò)GPRS或WIFI傳輸?shù)膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，每20秒更新一次。點(diǎn)擊下面的“換水”“排水”等六個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)后面“曲線”按鈕可以查看指定時(shí)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(gè)小時(shí)、3個(gè)小時(shí)、12個(gè)小時(shí)、3天等時(shí)間段的數(shù)據(jù)）。

5 結(jié)論

魚缸監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)各類適用的傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在TFT觸屏上，同時(shí)通過(guò)云端可以在移動(dòng)終端上進(jìn)行查看;如有任何異常，現(xiàn)場(chǎng)會(huì)有報(bào)警，同時(shí)還會(huì)發(fā)送短信至手機(jī)終端，以便用戶可以及時(shí)采取相應(yīng)措施。實(shí)驗(yàn)證明：設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)魚缸系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)提示魚缸環(huán)境的實(shí)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(gè)環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)上傳云端，擴(kuò)展性號(hào)，后期可直接加入整個(gè)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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