孫洪波

　?。暇┼]電大學 通信與信息工程學院,，江蘇 南京 210003）

       摘要：設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)魚缸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由三部分組成：環(huán)境信息采集與控制,、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng),。該系統(tǒng)利用傳感器感知技術(shù)采集生態(tài)魚缸內(nèi)的環(huán)境信息，并將采集數(shù)據(jù)通過無線ZigBee傳輸技術(shù)發(fā)送至控制中心節(jié)點,，然后通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)上傳到后臺服務(wù)器,，最終由服務(wù)器將控制命令發(fā)往各個設(shè)備終端節(jié)點，實現(xiàn)魚缸環(huán)境的自動調(diào)節(jié),。實際使用表明,，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠滿足實時,、動態(tài)的魚缸生態(tài)環(huán)境監(jiān)控的需求,。

　　關(guān)鍵詞：傳感器；ZigBee ,；智能控制,；物聯(lián)網(wǎng)

　　中圖分類號：TP212.9文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.020

　　引用格式：孫洪波. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能生態(tài)魚缸系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微型機與應(yīng)用，2016,35（23）：69-72.

0引言

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,，已經(jīng)將感知技術(shù),、通信技術(shù),、自動化技術(shù)以及人工智能結(jié)合在一起。本文從魚類生活環(huán)境因素分析,，設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)魚缸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),。智能生態(tài)魚缸通過部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)測魚缸內(nèi)部水體環(huán)境因素,，如水質(zhì),、水位、水溫,、含氧量等,，通過將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)管理中心，進行數(shù)據(jù)處理和分析,，回送控制命令對魚缸環(huán)境進行自我調(diào)節(jié),，不僅為魚類提供了適宜的環(huán)境，同時也將大大降低魚類養(yǎng)殖的復雜性,。

1系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　1.1系統(tǒng)功能需求分析

　　根據(jù)生態(tài)魚缸特性分析,，本文系統(tǒng)主要包含以下功能：

　　（1）實時采集環(huán)境數(shù)據(jù),。系統(tǒng)通過溫度,、水位、水濁度,、光照等傳感器模塊,，周期性地讀取傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集功能,，方便用戶實時了解魚缸環(huán)境的變化,。

　　（2）隨時隨地查看魚缸環(huán)境變化,。用戶可通過內(nèi)網(wǎng)登錄智能生態(tài)魚缸管理系統(tǒng),，實時查看魚缸內(nèi)水溫、水位,、水濁度,、光照強度等環(huán)境參數(shù)的變化，可分別以表格,、折線圖,、柱形圖三種形式自由呈現(xiàn)，并且支持歷史數(shù)據(jù)的查看,。

　?。?）自由調(diào)節(jié)數(shù)值范圍功能。用戶可在智能生態(tài)魚缸管理系統(tǒng)中調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值范圍,，例如通過最高溫和最低溫設(shè)置,，若當前采集的魚缸水溫超出數(shù)值范圍,，則發(fā)送命令，控制加熱棒工作,。

　?。?）用戶數(shù)據(jù)信息管理功能。用戶通過智能生態(tài)魚缸管理系統(tǒng),，添加或刪除魚缸,、采集單元、控制單元等用戶設(shè)備,，實現(xiàn)了設(shè)備的智能管理,，方便用戶的查看和切換，并且通過Web提供了各種方便快捷的信息管理服務(wù),。

　　1.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計

　　本文以魚缸為研究對象,，根據(jù)上文的功能需求分析,，開發(fā)了基于ZigBee無線通信技術(shù)［1］的智能生態(tài)魚缸管理系統(tǒng),，能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)魚缸環(huán)境的遠程監(jiān)控和自動調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)主要由三部分組成：環(huán)境信息采集與控制,、數(shù)據(jù)傳輸,、數(shù)據(jù)處理與用戶應(yīng)用管理系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。信號采集與控制部分包含了采集單元和控制單元,。本系統(tǒng)的采集單元包含了對應(yīng)的溫度、水濁度,、水位,、光強度等傳感器模塊，控制單元包含了低壓加熱棒,、水泵,、補光燈等外部控制設(shè)備，實現(xiàn)魚缸內(nèi)部環(huán)境的自動控制,。

　　數(shù)據(jù)傳輸部分主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò),、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和后臺服務(wù)器組成。根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點以及本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境,，采用了星形拓撲結(jié)構(gòu),，由單個協(xié)調(diào)器節(jié)點以及若干個終端節(jié)點組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸［2］,。協(xié)調(diào)器節(jié)點與ARM控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān),，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的發(fā)送和自動控制命令的接收。網(wǎng)關(guān)能夠通過Internet訪問遠程服務(wù)器,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下載,。終端設(shè)備周期性地讀取采集單元接收的數(shù)據(jù),，并且發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。

　　數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)主要包括服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫存儲模塊和用戶管理模塊,。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時上傳，服務(wù)器接收到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)后,，對數(shù)據(jù)進行信息化處理,，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時存儲。用戶管理模塊主要搭建了智能生態(tài)魚缸環(huán)境管理系統(tǒng)的用戶界面,，方便用戶的查看和操作,。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1控制模塊設(shè)計

　　本系統(tǒng)的控制模塊由一個可遠程控制的智能排插座組成，只需將外部設(shè)備連接在排插上,，其中每一個插座與一個5 V繼電器模塊連接,，通過終端設(shè)備的數(shù)字I/O進行繼電器高電平觸發(fā)，再配合ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)外部設(shè)備的遠程開關(guān)控制,，達到魚缸環(huán)境的自動調(diào)節(jié),，其模塊電路圖如圖2所示。

　　控制模塊中使用的是5 V帶光耦隔離高電平觸發(fā)繼電器模塊,。其中光耦隔離使得觸發(fā)更加安全可靠,，高電平觸發(fā)即說明當觸發(fā)端有輸入高電平時，繼電器吸合,。本系統(tǒng)采用了繼電器常開端的連接方法,，把排插插頭的火線接在公共端上，插座的火線端連接在常閉端上,。在系統(tǒng)中,，繼電器相當于一個自動開關(guān)，只需通過ZigBee CC2530控制［3］各繼電器觸發(fā)端的高低電平即可實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制,。

　　2.2感知模塊設(shè)計

　　本系統(tǒng)的采集端主要包含溫度,、水濁度、水位,、光強度等傳感器模塊以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊,，如AD轉(zhuǎn)換模塊［4］，其硬件設(shè)計框圖如圖3所示,。

　　2.2.1水溫傳感器模塊

　　本系統(tǒng)需要測量魚缸水體溫度,，而且直接深入魚缸水體內(nèi)部對溫度進行測量，因此采用了防水的DS18B20數(shù)字溫度傳感器探頭,。并且通過傳感器適配器來增加上拉電阻,，以實現(xiàn)與CC2530數(shù)字I/O口的連接。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖4所示,。

　　由圖4可知,，DS18B20包含了溫度傳感器,、溫度報警觸發(fā)器、暫存器以及64位ROM,，共含有3個管腳：DQ,、GND和VDD。其中DQ為數(shù)字輸入/輸出端,，GND為電源地,，VDD為外接電源輸入端。

　　DS18B20數(shù)字溫度傳感器具備單線接口,，DQ端通過適配器直接與CC2530的一個數(shù)字I/O口連接,，即可實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的讀取。同時,，其ROM中具有獨特的唯一64位序列號,，可實現(xiàn)同一總線上的分布式溫度測量，即當魚缸較大時,，可在多處配置實現(xiàn)多點溫度測量,。其供電范圍為3.0 V～5.5 V，所以可直接通過數(shù)據(jù)線供電,。其溫度測量范圍為-55 ℃~+125 ℃,，由于魚類一般可承受溫度范圍為0 ℃~35 ℃,，所以適用于魚缸水溫的測量,。另外，DS18B20的最大測量時延為750 ms,，在-10 ℃~+85 ℃范圍內(nèi)的測量精度為±0.5℃,，同時具備9～12位可調(diào)分辨率。根據(jù)其時延短,、精度高的特性,，可知DS18B20適用于溫度的實時測量和自動控制系統(tǒng)。

　　2.2.2水濁度傳感器

　　為了測量魚缸水體的渾濁程度,，本系統(tǒng)采用了水濁度傳感器進行實時監(jiān)測,。水濁度傳感器采用了光學原理，由于水體懸浮顆粒的影響,，當光線入射時會出現(xiàn)散射現(xiàn)象,。因此根據(jù)測量水體的透光率和散射率結(jié)果，能夠計算出水體的懸浮顆粒含量,，即水濁度,。水濁度傳感器原理圖如圖5所示。

　　傳感器內(nèi)部主要由紅外線對管,、透射光光電池和散射光光電池組成,。當光線穿過水體時,，其中一部分被吸收和散射，散射光被散射光光電池接收,，另一部分透射光被透射光光電池接收,。當水體渾濁度越高，水的透光度越差,，則測得的電流就越小,，那么通過電阻轉(zhuǎn)換為0 V～5 V的電壓相應(yīng)地就越小。

　　水濁度單位為NTU,，1NTU=1 mg/L的懸浮顆粒,。通過測量可知，1 000 NTU時約為35.5%渾濁度,，3 000 NTU時約為67.2%渾濁度,。因此，當水濁度小于1 000 NTU時為低濁度,在1 000 NTU～3 000NTU時為中濁度,，大于3 000 NTU時為高濁度,。

　　傳感器模塊由水濁度傳感探頭和AD輸出選擇模塊構(gòu)成，其中模擬量的輸出為0 V～4.5 V的電壓,，數(shù)字量的輸出為高低電平信號,。本系統(tǒng)選擇模擬量輸出，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行處理,，連接到CC2530的數(shù)字I/O口,，實現(xiàn)水濁度的實時測量。

　　2.2.3水位傳感器

　　本系統(tǒng)的水位傳感器用于測量魚缸內(nèi)水體的高度是否達到用戶水位高度要求,。由于魚缸內(nèi)水位變動較小,，所以無需實時顯示水位信息，只需自動判定水位,，當水位低于基本要求時,，提醒用戶添加魚缸水量。本系統(tǒng)采用的水位傳感器如圖6所示,。

　　水位傳感器利用表面的平行導線來測量所接觸的水量大小,，從而判定水位，并且輸出模擬量,，實現(xiàn)水量到模擬量的轉(zhuǎn)換,。輸出模擬量越大則水位越高。最后,，為了方便CC2530 I/O口的讀取,，需采用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。

　　2.2.4模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

　　由于本系統(tǒng)ZigBee模塊包含了CC2530的數(shù)字I/O口,，所以當傳感器模塊輸出模擬量（如水濁度傳感器和水位傳感器）時,，需通過模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換進行采樣處理，才可直接通過CC2530的數(shù)字I/O口進行采集數(shù)據(jù)的讀取,。本系統(tǒng)采用了YL-40 AD轉(zhuǎn)換模塊,，其原理圖如圖7所示。

　　本模塊主要采用了PCF8591 數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,。該芯片具備4個模擬輸入端,、1個模擬輸出端和1個串行I2C總線接口，故可實現(xiàn)最多4個模擬輸出傳感器同時進行A/D轉(zhuǎn)換,。因此,，本系統(tǒng)只需將水濁度傳感器和水位傳感器與一個YL-40 AD轉(zhuǎn)換模塊連接即可。由于YL40 AD轉(zhuǎn)換模塊中PCF8591芯片的3個地址引腳均接地,，因此本模塊PCF8591芯片的硬件地址固定為0X90,。另外，由于輸出數(shù)據(jù)信號通過I2C串行總線的方式與CC2530數(shù)字I/O口進行數(shù)據(jù)傳輸,，所以讀寫數(shù)據(jù)需遵循I2C總線協(xié)議,。

　　2.2.5數(shù)字光強度傳感器模塊

　　本模塊主要包含了BH1750數(shù)字光強度傳感器，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖8所示,。芯片內(nèi)部的光敏二極管接近人眼反應(yīng),，故常用于環(huán)境光照的自動控制系統(tǒng)，可檢測光強度范圍為0~65 535 lx,。其中,，運算放大器將光敏二極管電流轉(zhuǎn)換為電壓，再經(jīng)過內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器,，輸出16位數(shù)據(jù),，通過I2C總線接口進行數(shù)據(jù)傳輸,。因此,，BH1750光強度數(shù)據(jù)的讀取應(yīng)遵循I2C總線協(xié)議。

3系統(tǒng)管理軟件設(shè)計

　　3.1系統(tǒng)運行環(huán)境

　　用戶后臺管理系統(tǒng)采用了WAMP集成開發(fā)環(huán)境,，WAMP是Windows系統(tǒng)下的Apache網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,、Mysql關(guān)系數(shù)據(jù)庫和PHP腳本語言的一種集成開發(fā)環(huán)境。

　　本系統(tǒng)開發(fā)采用了ThinkPHP3.2框架,，ThinkPHP是開源開發(fā)框架,，基于多層MVC結(jié)構(gòu)，即模型層（Model）,、視圖層（View）,、控制器層（Controller）。其中模型層用于存放數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)和服務(wù)等相應(yīng)接口,，相當于數(shù)據(jù)庫的操作,；視圖層主要包括模板和模板引擎，即網(wǎng)頁的布局,、框架等內(nèi)容,；控制器層用于響應(yīng)用戶操作，負責用戶的交互和事件的處理等,。ThinkPHP框架將結(jié)構(gòu)分層,，不僅使得用戶操作清晰，網(wǎng)頁結(jié)構(gòu)分明,，而且簡化了網(wǎng)頁的開發(fā)工作,。

　　3.2系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　生態(tài)魚缸環(huán)境管理系統(tǒng)主要由用戶信息管理、設(shè)備信息管理,、采集數(shù)據(jù)顯示和控制參數(shù)調(diào)節(jié)4部分組成,，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

　　用戶信息管理部分包含了登錄,、注冊和信息修改等功能,；設(shè)備信息管理部分包含了魚缸、采集單元和控制單元3

　　種用戶設(shè)備信息,；采集數(shù)據(jù)顯示部分包括水溫值,、水濁度和光照值3部分；控制參數(shù)調(diào)節(jié)部分包括水溫調(diào)節(jié),、濁度調(diào)節(jié)和光照調(diào)節(jié)3部分,。生態(tài)魚缸系統(tǒng)運行圖如圖10所示。

4結(jié)論

　　本文利用物聯(lián)網(wǎng)的“端管云”基本思想,，提出了基于ZigBee 技術(shù)的智能生態(tài)魚缸系統(tǒng)設(shè)計方案,，實現(xiàn)了一個完整、可擴展的生態(tài)魚缸監(jiān)測系統(tǒng),，給出了系統(tǒng)中各個子模塊硬件,、軟件較為詳細的設(shè)計方案，目前該系統(tǒng)已投入使用并運行穩(wěn)定,。

　　本系統(tǒng)采用的ZigBee技術(shù)可作為一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端,，為用戶實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集功能，具有很好地可擴展性和可移植性,，對于各種安防監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建具有重要的參考價值,。

　　參考文獻

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