基于物聯網的智能魚缸

華 蕊 單超穎 趙 凱 茹鑫華 王如意 張 歡

(沈陽城市建設學院信息與控制工程系，遼寧 沈陽 110167)

0 引言

隨著我國科學技術和綜合國力的逐步增強，物聯網技術也慢慢走進我們的生活當中并且和整個社會密不可分。如今，我國逐步進入了智能物聯AIOT時代，許多傳統的生活物品已經不能滿足人們的需求了。比如傳統魚缸遠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網平臺實現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的管理模式。該魚缸將水質的各項數據運用Wi-Fi無線技術傳輸給OneNET平臺，通過手機App和語音來控制相關設備，該研究項目不僅僅是對于家用魚缸的功能開發與改進，打破了時間和空間的束縛，對于類似的智能家居產品的研究與生產有較高價值。

1 設計思路

作品主要包括了主控部分、輸入部分和云服務部分，構建了一個完整的設計模型。主控部分主要是完成MCU下發的指令控制，包括換水開關，恒溫開關以及投食等；輸入部分是傳感器的數據采集系統，用于檢測魚缸的一系列環境數據變化；云服務部分是用戶界面、完整的用戶指令分發、人機交互信息等。

圖1 系統結構圖

2 硬件部分

2.1 語音識別模塊

語音識別協處理模塊HBR640：本文設計所用HBR640模塊，該模塊使用Flash存儲數據，掉電可保存，工作時無須重新配置語音命令。通過語音下達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用效果，所以不需要用戶記錄訓練，只要語音輸入關鍵字或者詞，便可進行識別，識別出的關鍵字可以字符串的形式傳輸到芯片上，即在下一次識別時立即生效。例如，在對控制芯片進行編程中，只要設置芯片的寄存器，就可以動態地將識別“開燈加熱”等關鍵詞的內容傳送到芯片上，芯片就可以識別這樣設置的關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℃。其功能就是實時檢測魚缸中各項指標中的數值，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0.0625℃，在很短的時間內就可以將外界的溫度模擬量轉化為數字量，存儲在自己的存儲器中。

(3)Esp8266模塊是用于數據傳輸，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網絡鏈路協議包，將主控芯片經過處理后的數據，實時上報OneNET云平臺，數據經過處理繪制成曲線圖，并由OneNET云平臺傳輸至手機App使其可被用戶直接觀察變化情況，同時可以實現遠程控制。

(4)外部設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的外接設備。可以由手機端控制繼電器的開合來進行開燈加熱、注氧、抽水排污一系列措施。

(5)燈光改造選用了高亮LED，設置在了魚缸蓋子的頂部，根據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 物聯網平臺接入

本作品采用的軟件開發環境為keilMDK5，使用的語言為c語言。本系統使用的云平臺是OneNet物聯網開發平臺，為設備提供可靠傳輸，幫助各式各樣的終端設備快速接入網絡，可以實現數據傳輸與存儲，以及數據的管理等非常完整的交互流程形式。為了在傳輸的過程中保障信息的質量、信息的正確和及時。在本次設計中，我們將使用由OneNet云平臺基于物聯網的特點量身定做的協議——EDP傳輸協議。

EDP(Enhanced Device Protocol)，長連接協議，在傳輸的過程中，可實現對數據加密處理，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：創建產品(針對第一次使用此協議)，注冊設備(針對第一次使用此協議)，生成應用(針對第一次使用此協議)，連接平臺，連接設備，保持設備始終在線，上報數據流到設備中，平臺下發命令到設備，設備處理命令的同時執行相應的操作。

平臺下發指令，手機App能夠接收OneNET平臺發送的數據，用戶通過錄入身份信息設權限，登錄個人信息便可實時監測水質狀況，也可根據適宜魚兒生活的環境來設置數據，使智能魚缸適用不同種環境而發揮作用；用戶根據數據對比，可遠距離操控魚缸各項功能，解決臨時加班、出差等狀況。

4 系統創新

本設計基于在物聯網技術的基礎上將智能的思想與傳統的魚缸相結合，對傳統魚缸的一些不足進行了彌補，并進行一些創新，制造出一款新型的智能魚缸。

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

(1)本系統通過采用ESP8266Wi-Fi無線連接技術將數據無線傳輸給終端，不需要復雜的綜合布線即可實現發送信號并接入設備，為本作品奠定良好的基礎。

(2)用戶通過使用手機設備云與OneNET云平臺連接，可以遠程操控魚缸內部各個角落的傳感器的開與關，以實現數據通信。

(3)手機遠程控制魚缸外部設備加熱供氧等功能。用戶可以下載魚缸專屬的App，對魚缸裝置進行一個遠程控制，不管我們是出門在外，還是躺在床上沙發上都可以對魚缸實現控制。

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

(5)多種傳感器來實時檢測水質，將采集到的數據進行濾波算法，得到有效的數據，并將數據反饋給MCU進行處理。

5 總結

本系統的設計以STM32單片機為控制核心，以ESP8266模塊作為數據傳輸橋梁，利用各類傳感器將水中的酸堿度、溫度等數據進行采集，反饋至主控芯片，由MCU處理、對比，并將數據通過ESP8266模塊傳送至設備云，數據經過處理繪制成曲線圖并進行儲存后發送到用戶手機端。用戶可以觀察采集的數據圖形和云平臺推送的以往的養魚經驗兩者進行對比，在外工作時用戶可以直接從手機端下達命令，命令會經過設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備的加熱、供氧等裝置的工作。若在家時，除了可以由手機端下達命令外，還可以通過智能魚缸安裝的語音模塊語音輸入關鍵字或詞，通過繼電器的開合也能實現控制外部設備的相關功能。所以此基于物聯網的智能魚缸，不管你在家，還是因為無法立即回家的在外工作者，都可以對魚缸內的環境及時了解掌控，能實現用戶與系統之間的交互。