基于物聯網平臺的智能魚缸監控系統設計與實現

廖明華 黃育雄

摘要：智能魚缸監控系統以Arduino UNO R3為控制核心，利用傳感器采集大氣溫濕度、光照強度、魚缸內的溫度等數據，通過Wifi上傳到OneNET云平臺，手機App調用云平臺API實時遠程獲取魚缸環境參數，同時下發命令控制燈光、喂食、恒溫等。

關鍵詞：智能魚缸;OneNet;Arduino;Wifi

中圖分類號：TP368.1 ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）02-0115-03

1 背景

據有關資料顯示，目前全世界觀賞魚缸業正以每年超過10%的速度增長，在家居環境或是休閑娛樂場所都有各種各樣的魚缸，而保持一個適宜魚類生活的環境是一件非常耗精力的工作[1]，但目前市場上常用的魚缸控制系統產品繁多，功能不統一，沒有實現系統化，不僅增加了成本，而且影響美觀。此外，現有技術中的智能魚缸大多無法提供遠程服務，即使有部分產品能夠提供對魚缸的遠程監測，但也無法提供對魚缸的遠程控制，這樣即使發現魚缸內的環境不佳，也無法立即進行控制改善，影響了用戶的體驗。

隨著國家經濟水平的提高和人們對優質生活的追求，集水溫、清潔、喂養、補氧等功能于一體的智能魚缸將成為人們的新寵，為完善現今魚缸存在的技術問題，同時滿足用戶日益增長的新需求，本文設計實現了一套基于物聯網平臺的智能魚缸系統，可以實現魚缸生態環境的自我管理，同時在手機端查看魚缸的實時情況，遠程操控改善魚類生活環境狀態。

2 智能魚缸監控系統設計方案

如圖1智能魚缸監控系統功能結構圖所示，系統包括主控模塊、WIFI模塊、環境監測模塊、恒溫加熱器、供氧過濾水循環器、光照模塊、喂食模塊，云端服務器和控制終端。

主控模塊為ATMEGA328P芯片，能控制魚缸所需的各個模塊，實現智能照明、智能溫控以及智能喂食，系統通過主芯片的代碼控制，達到了功能系統化的效果，降低了購買設備的成本。溫度傳感器采用了DS18B20模塊，該模塊具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高的特點[2]，使魚缸的水溫保持在用戶所設定的溫度值，保證魚缸水體的恒溫效果;智能照明可根據外界光照強度變化進行調節，使得魚缸的美觀性更強;智能溫控保證了魚缸的恒溫狀態，三合一供氧水循環系統具有供氧、過濾、水循環的功能，保證了魚缸水體的質量，智能喂食可通過直流電機帶動槳葉旋轉，當槳葉孔轉過飼料孔時，飼料就可以從孔中掉落進魚缸。

WIFI模塊為ESP8266芯片，主控芯片通過WIFI接入因特網，采用EDP通信協議與中國移動物聯網開發云平臺OneNet進行通信，實現魚缸溫度，光照等環境數據的監測和溫控、補光、喂食等控制命令的下發。

控制終端有基于C#的PC上位機和Android手機App，采用HTTP通信協議與中國移動物聯網開發云平臺OneNet進行通信，實現魚缸環境數據的監測和控制命令的下發。

3 系統軟硬件設計

3.1 硬件設計

圖2所示為智能魚缸監控系統的電路原理圖，A1表示恒溫加熱器、A2表示供氧過濾水循環器、A3表示光照模塊、A4表示喂食模塊，主控模塊、WIFI模塊以及環境檢測模塊用各自采用的芯片型號表示。

3.2 軟件設計

1）Arduino主程序

本系統采用Arduino UNO R3為控制核心，對魚缸水體溫度、室內大氣溫濕度以及魚缸光照強度等實時數據的采集，再由WIFI模塊實時傳輸到OneNET控制終端，達到對魚缸環境實時監測，用戶可通過控制終端查看魚缸環境的實時數據，并通過控制終端下發相應的控制指令，用戶可以對這些數據利用專家系統進行分析，通過控制設備上連接的恒溫器、三合一供氧過濾水循環器、直流電機（智能喂食系統）等設施的手段，可以實現自動智能的調節和控制，使得魚兒生活環境始終處于最佳狀態，以實現智能魚缸的目標。

本系統的工作流程圖如圖3所示。

2）云端服務器

云端服務器采用OneNET云平臺的多協議接入中的EDP協議。OneNET定位為PaaS服務，即在物聯網應用和真實設備之間搭建高效、穩定、安全的應用平臺：面向設備，適配多種網絡環境和常見傳輸協議，提供各類硬件終端的快速接入方案和設備管理服務;面向應用層，提供豐富的API和數據分發能力以滿足各類行業應用系統的開發需求，使我們不用將工作重心放在設備接入層的環境搭建上，從而縮短系統的形成周期，降低研發、運營和運維成本[3]。

EDP協議適用于設備和平臺需要保持長連接點對點控制的使用場景，基于TCP協議的，該協議只傳輸數據包到達目的地，不保證傳輸的順序與到達的順序相同，事務機制需要在上層實現;若客戶端同時發起兩次請求，服務器返回時，不保障返回報文的順序，EDP協議適合于數據的長連接上報、透傳、轉發、存儲、數據主動下發等場景[4]。

在OneNet平臺上創建產品，產品的接入方式選擇公開協議，聯網方式選擇WiFi，模組選擇安信可ESP266-XXX系列，設備接入協議選擇EDP協議[5]，創建產品完成后，創建設備，數據保密性設為公開，設備創建完成后，創建應用，分別記錄魚缸內溫度，室內溫度，大氣濕度，編輯應用界面，放置相應的按鈕及圖形，修改相應按鈕下發指令數據設置，即可從電腦Web端進入OneNet平臺中智能魚缸監控系統控制界面，效果圖如圖4所示，實現魚缸數據的監控。

3）基于C#的PC上位機

上位機通過HTTP協議，調用OneNET平臺提供的API，實時更新魚缸數據，同時獲取采集數據時間，并將數據實時存儲到指定路徑的text文檔中或本地SQL Server數據庫，用戶還可以通過上位機下發命令，控制投喂，恒溫，燈光，三合一電器的開關，如果進入自動讀入模式，可以每隔60S左右自動刷新一次數據，根據光照強度、水體溫度的數值進行自動控制。

4）Android手機App

用戶使用手機App可以隨時隨地通過HTTP協議，調用OneNET平臺提供的API，實時更新魚缸數據，同時獲取采集數據時間，還可以下發命令，控制投喂，恒溫，燈光，三合一電器的開關，同樣可以控制進入自動讀入模式。

4 系統測試數據分析

系統在整體設計結束后，結合硬件和軟件進行最后階段的測試調整，以確定系統的正常運行和穩定性。

圖7為在系統正常運行時，快速改變魚缸水體溫度值，實時采集水體溫度值變化，同時分別記錄云平臺，PC上位機，手機App上水體溫度值的變化，經分析，在網絡環境良好的情況下，云平臺，PC上位機，手機App在水體溫度發生變化時，能實時監測到水體溫度變化的情況，但出現2～5s的延時，同樣下發命令也能得到有效執行，表明整體的設計調試達到預期的效果，整體的設計已完成。

5 總結

本文設計的智能魚缸監控系統，用戶可以遠程監測魚缸的實時數據，同時下發控制命令，實現遠程喂食和溫控的目的。本系統相比于市場售賣的智能魚缸具有一定的優勢，解決了市面上產品繁多，功能不統一，且大多是非智能化的、單一的恒溫控制、充氧或照明系統的問題[1]，通過一個開發板鏈接多個功能模塊，降低了成本的同時節約了資源，使景觀型智能魚缸系統更符合市場的需求。

參考文獻：

[1] 藍魚水族器材.魚缸智能控制系統研究與現狀[OL].

https：//www.sohu.com/a/283380050_100208248， 2018-12-23.

[2] 申長安.基于DS18B20的溫度監測報警與智能控制系統[J].安陽工學院學報，2014，13（2）：11-13，32.

[3] ?leven98 - CSDN博客.OneNET之mqtt連接[OL].https：//blog.csdn.net/leven98/article/details/106351823，2020-5-26.

[4] OneNET文檔中心. [OneNET設備云平臺]云平臺對接服務_智能設備[OL].https：//open.iot.10086.cn/doc/art574.html，2021-8-2.

[5] 王順-Arduino中文社區.智能魚缸[OL].https：//www.arduino.cn/forum.php？mod=viewthread&tid=78444，2018-6-11.

【通聯編輯：梁書】

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