基于物联网的智能生态鱼缸系统设计与实现

孙洪波

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)



基于物联网的智能生态鱼缸系统设计与实现

孙洪波

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

设计了一套基于物联网的生态鱼缸环境监控系统，该系统主要由三部分组成：环境信息采集与控制、数据传输和数据信息管理系统。该系统利用传感器感知技术采集生态鱼缸内的环境信息，并将采集数据通过无线ZigBee传输技术发送至控制中心节点，然后通过数据通信网关上传到后台服务器，最终由服务器将控制命令发往各个设备终端节点，实现鱼缸环境的自动调节。实际使用表明，该系统运行稳定，能够满足实时、动态的鱼缸生态环境监控的需求。

传感器；ZigBee ；智能控制；物联网

0 引言

物联网技术的发展，已经将感知技术、通信技术、自动化技术以及人工智能结合在一起。本文从鱼类生活环境因素分析，设计了一套基于物联网的生态鱼缸环境监控系统。智能生态鱼缸通过部署传感器网络，实时监测鱼缸内部水体环境因素，如水质、水位、水温、含氧量等，通过将数据上传至数据管理中心，进行数据处理和分析，回送控制命令对鱼缸环境进行自我调节，不仅为鱼类提供了适宜的环境，同时也将大大降低鱼类养殖的复杂性。

1 系统总体设计方案

1.1 系统功能需求分析

根据生态鱼缸特性分析，本文系统主要包含以下功能：

(1)实时采集环境数据。系统通过温度、水位、水浊度、光照等传感器模块，周期性地读取传感器数据，实现数据的实时采集功能，方便用户实时了解鱼缸环境的变化。

(2)随时随地查看鱼缸环境变化。用户可通过内网登录智能生态鱼缸管理系统，实时查看鱼缸内水温、水位、水浊度、光照强度等环境参数的变化，可分别以表格、折线图、柱形图三种形式自由呈现，并且支持历史数据的查看。

(3)自由调节数值范围功能。用户可在智能生态鱼缸管理系统中调节参数的数值范围，例如通过最高温和最低温设置，若当前采集的鱼缸水温超出数值范围，则发送命令，控制加热棒工作。

(4)用户数据信息管理功能。用户通过智能生态鱼缸管理系统，添加或删除鱼缸、采集单元、控制单元等用户设备，实现了设备的智能管理，方便用户的查看和切换，并且通过Web提供了各种方便快捷的信息管理服务。

1.2 系统总体方案设计

本文以鱼缸为研究对象，根据上文的功能需求分析，开发了基于ZigBee无线通信技术[1]的智能生态鱼缸管理系统，能够实现生态鱼缸环境的远程监控和自动调节。本系统主要由三部分组成：环境信息采集与控制、数据传输、数据处理与用户应用管理系统。系统结构如图1所示。

图1 智能生态鱼缸管理系统结构框图

信号采集与控制部分包含了采集单元和控制单元。本系统的采集单元包含了对应的温度、水浊度、水位、光强度等传感器模块，控制单元包含了低压加热棒、水泵、补光灯等外部控制设备，实现鱼缸内部环境的自动控制。

数据传输部分主要由ZigBee网络、数据网关和后台服务器组成。根据ZigBee网络的技术特点以及本系统的应用环境，采用了星形拓扑结构，由单个协调器节点以及若干个终端节点组成，实现数据的无线传输[2]。协调器节点与ARM控制器构成数据网关，实现采集数据的发送和自动控制命令的接收。网关能够通过Internet访问远程服务器，实现数据的上传和下载。终端设备周期性地读取采集单元接收的数据，并且发送至协调器节点。

数据信息管理系统主要包括服务器端的数据库存储模块和用户管理模块。数据网关接收到数据后，实现数据实时上传，服务器接收到网关的数据后，对数据进行信息化处理，并实现对数据的实时存储。用户管理模块主要搭建了智能生态鱼缸环境管理系统的用户界面，方便用户的查看和操作。

2 系统硬件设计

2.1 控制模块设计

本系统的控制模块由一个可远程控制的智能排插座组成，只需将外部设备连接在排插上，其中每一个插座与一个5 V继电器模块连接，通过终端设备的数字I/O进行继电器高电平触发，再配合ZigBee无线网络即可实现外部设备的远程开关控制，达到鱼缸环境的自动调节，其模块电路图如图2所示。

控制模块中使用的是5 V带光耦隔离高电平触发继电器模块。其中光耦隔离使得触发更加安全可靠，高电平触发即说明当触发端有输入高电平时，继电器吸合。本系

图2 继电器模块电路

统采用了继电器常开端的连接方法，把排插插头的火线接在公共端上，插座的火线端连接在常闭端上。在系统中，继电器相当于一个自动开关，只需通过ZigBee CC2530控制[3]各继电器触发端的高低电平即可实现设备的远程控制。

2.2 感知模块设计

本系统的采集端主要包含温度、水浊度、水位、光强度等传感器模块以及相应的转换模块，如AD转换模块[4]，其硬件设计框图如图3所示。

图3 采集端硬件设计框图

2.2.1 水温传感器模块

本系统需要测量鱼缸水体温度，而且直接深入鱼缸水体内部对温度进行测量，因此采用了防水的DS18B20数字温度传感器探头。并且通过传感器适配器来增加上拉电阻，以实现与CC2530数字I/O口的连接。DS18B20内部结构方框图如图4所示。

图4 DS18B20内部结构方框图

由图4可知，DS18B20包含了温度传感器、温度报警触发器、暂存器以及64位ROM，共含有3个管脚：DQ、GND和VDD。其中DQ为数字输入/输出端，GND为电源地，VDD为外接电源输入端。

DS18B20数字温度传感器具备单线接口，DQ端通过适配器直接与CC2530的一个数字I/O口连接，即可实现温度数据的读取。同时，其ROM中具有独特的唯一64位序列号，可实现同一总线上的分布式温度测量，即当鱼缸较大时，可在多处配置实现多点温度测量。其供电范围为3.0 V～5.5 V，所以可直接通过数据线供电。其温度测量范围为-55 ℃～+125 ℃，由于鱼类一般可承受温度范围为0 ℃～35 ℃，所以适用于鱼缸水温的测量。另外，DS18B20的最大测量时延为750 ms，在-10 ℃～+85 ℃范围内的测量精度为±0.5℃，同时具备9～12位可调分辨率。根据其时延短、精度高的特性，可知DS18B20适用于温度的实时测量和自动控制系统。

2.2.2 水浊度传感器

为了测量鱼缸水体的浑浊程度，本系统采用了水浊度传感器进行实时监测。水浊度传感器采用了光学原理，由于水体悬浮颗粒的影响，当光线入射时会出现散射现象。因此根据测量水体的透光率和散射率结果，能够计算出水体的悬浮颗粒含量，即水浊度。水浊度传感器原理图如图5所示。

图5 水浊度传感器原理图

传感器内部主要由红外线对管、透射光光电池和散射光光电池组成。当光线穿过水体时，其中一部分被吸收和散射，散射光被散射光光电池接收，另一部分透射光被透射光光电池接收。当水体浑浊度越高，水的透光度越差，则测得的电流就越小，那么通过电阻转换为0 V～5 V的电压相应地就越小。

水浊度单位为NTU，1NTU=1 mg/L的悬浮颗粒。通过测量可知，1 000 NTU时约为35.5%浑浊度，3 000 NTU时约为67.2%浑浊度。因此，当水浊度小于1 000 NTU时为低浊度,在1 000 NTU～3 000NTU时为中浊度，大于3 000 NTU时为高浊度。

传感器模块由水浊度传感探头和AD输出选择模块构成，其中模拟量的输出为0 V～4.5 V的电压，数字量的输出为高低电平信号。本系统选择模拟量输出，再通过模数转换模块进行处理，连接到CC2530的数字I/O口，实现水浊度的实时测量。

2.2.3 水位传感器

本系统的水位传感器用于测量鱼缸内水体的高度是否达到用户水位高度要求。由于鱼缸内水位变动较小，所以无需实时显示水位信息，只需自动判定水位，当水位低于基本要求时，提醒用户添加鱼缸水量。本系统采用的水位传感器如图6所示。

图6 水位传感器实物图

水位传感器利用表面的平行导线来测量所接触的水量大小，从而判定水位，并且输出模拟量，实现水量到模拟量的转换。输出模拟量越大则水位越高。最后，为了方便CC2530 I/O口的读取，需采用模数转换模块，将模拟量转换为数字量输出。

2.2.4 模数转换模块

由于本系统ZigBee模块包含了CC2530的数字I/O口，所以当传感器模块输出模拟量(如水浊度传感器和水位传感器)时，需通过模数A/D转换进行采样处理，才可直接通过CC2530的数字I/O口进行采集数据的读取。本系统采用了YL-40 AD转换模块，其原理图如图7所示。

图7 YL-40 AD转换模块原理图

本模块主要采用了PCF8591 数模/模数转换芯片。该芯片具备4个模拟输入端、1个模拟输出端和1个串行I2C总线接口，故可实现最多4个模拟输出传感器同时进行A/D转换。因此，本系统只需将水浊度传感器和水位传感器与一个YL-40 AD转换模块连接即可。由于YL-40 AD转换模块中PCF8591芯片的3个地址引脚均接地，因此本模块PCF8591芯片的硬件地址固定为0X90。另外，由于输出数据信号通过I2C串行总线的方式与CC2530数字I/O口进行数据传输，所以读写数据需遵循I2C总线协议。

2.2.5 数字光强度传感器模块

本模块主要包含了BH1750数字光强度传感器，芯片内部结构方框图如图8所示。芯片内部的光敏二极管接近人眼反应，故常用于环境光照的自动控制系统，可检测光强度范围为0～65 535 lx。其中，运算放大器将光敏二极管电流转换为电压，再经过内置的AD转换器，输出16位数据，通过I2C总线接口进行数据传输。因此，BH1750光强度数据的读取应遵循I2C总线协议。

图8 BH1750内部结构方框图

3 系统管理软件设计

3.1 系统运行环境

用户后台管理系统采用了WAMP集成开发环境，WAMP是Windows系统下的Apache网络服务器、Mysql关系数据库和PHP脚本语言的一种集成开发环境。

本系统开发采用了ThinkPHP3.2框架，ThinkPHP是开源开发框架，基于多层MVC结构，即模型层(Model)、视图层(View)、控制器层(Controller)。其中模型层用于存放数据、业务和服务等相应接口，相当于数据库的操作；视图层主要包括模板和模板引擎，即网页的布局、框架等内容；控制器层用于响应用户操作，负责用户的交互和事件的处理等。ThinkPHP框架将结构分层，不仅使得用户操作清晰，网页结构分明，而且简化了网页的开发工作。

3.2 系统各部分结构设计

生态鱼缸环境管理系统主要由用户信息管理、设备信息管理、采集数据显示和控制参数调节4部分组成，其总体结构框图如图9所示。

用户信息管理部分包含了登录、注册和信息修改等功能；设备信息管理部分包含了鱼缸、采集单元和控制单元3

图9 生态鱼缸环境管理系统的总体结构框图

种用户设备信息；采集数据显示部分包括水温值、水浊度和光照值3部分；控制参数调节部分包括水温调节、浊度调节和光照调节3部分。生态鱼缸系统运行图如图10所示。

图10 智能生态鱼缸系统运行图

4 结论

本文利用物联网的“端管云”基本思想，提出了基于ZigBee 技术的智能生态鱼缸系统设计方案，实现了一个完整、可扩展的生态鱼缸监测系统，给出了系统中各个子模块硬件、软件较为详细的设计方案，目前该系统已投入使用并运行稳定。

本系统采用的ZigBee技术可作为一种物联网无线数据终端，为用户实现无线数据采集功能，具有很好地可扩展性和可移植性，对于各种安防监控系统的构建具有重要的参考价值。

[1] 王翠茹，于祥兵，王成福. 基于ZigBee技术的温度采集传输系统[J].仪表技术与传感器,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

孙洪波. 基于物联网的智能生态鱼缸系统设计与实现[J].微型机与应用，2016,35(23)：69-72.

2016-08-15)

孙洪波(1985-)，男，硕士，助理实验师，主要研究方向：物联网、无线通信技术。