孫洪波
（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)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(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.020
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(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，回送控制命令對魚缸環(huán)境進(jìn)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(fù)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(qiáng)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。
（3）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(dāng)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。
（4）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(yuǎn)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(qiáng)度等傳感器模塊，控制單元包含了低壓加熱棒、水泵、補(bǔ)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?fù)浣Y(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(yuǎn)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(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(yuǎn)程開關(guān)控制，達(dá)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(dāng)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(dāng)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(yuǎn)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(qiáng)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(jìn)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(dāng)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(jìn)行實時監(jiān)測。水濁度傳感器采用了光學(xué)原理，由于水體懸浮顆粒的影響，當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(dá)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)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(jìn)行采樣處理，才可直接通過CC2530的數(shù)字I/O口進(jìn)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(jìn)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YL40 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(jìn)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(qiáng)度傳感器模塊
本模塊主要包含了BH1750數(shù)字光強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，BH1750光強(qiáng)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(dāng)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(fù)責(zé)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(kuò)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(xì)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(kuò)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(xiàn)
［1］ 王翠茹，于祥兵，王成福. 基于ZigBee技術(shù)的溫度采集傳輸系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器,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.