孫洪波

　　（南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003）

       摘要：設計了一套基于物聯網的生態魚缸環境監控系統，該系統主要由三部分組成：環境信息采集與控制、數據傳輸和數據信息管理系統。該系統利用傳感器感知技術采集生態魚缸內的環境信息，并將采集數據通過無線ZigBee傳輸技術發送至控制中心節點，然后通過數據通信網關上傳到后臺服務器，最終由服務器將控制命令發往各個設備終端節點，實現魚缸環境的自動調節。實際使用表明，該系統運行穩定，能夠滿足實時、動態的魚缸生態環境監控的需求。

　　關鍵詞：傳感器；ZigBee ；智能控制；物聯網

　　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. 基于物聯網的智能生態魚缸系統設計與實現［J］.微型機與應用，2016,35（23）：69-72.

0引言

　　物聯網技術的發展，已經將感知技術、通信技術、自動化技術以及人工智能結合在一起。本文從魚類生活環境因素分析，設計了一套基于物聯網的生態魚缸環境監控系統。智能生態魚缸通過部署傳感器網絡，實時監測魚缸內部水體環境因素，如水質、水位、水溫、含氧量等，通過將數據上傳至數據管理中心，進行數據處理和分析，回送控制命令對魚缸環境進行自我調節，不僅為魚類提供了適宜的環境，同時也將大大降低魚類養殖的復雜性。

1系統總體設計方案

　　1.1系統功能需求分析

　　根據生態魚缸特性分析，本文系統主要包含以下功能：

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

　　（2）隨時隨地查看魚缸環境變化。用戶可通過內網登錄智能生態魚缸管理系統，實時查看魚缸內水溫、水位、水濁度、光照強度等環境參數的變化，可分別以表格、折線圖、柱形圖三種形式自由呈現，并且支持歷史數據的查看。

　　（3）自由調節數值范圍功能。用戶可在智能生態魚缸管理系統中調節參數的數值范圍，例如通過最高溫和最低溫設置，若當前采集的魚缸水溫超出數值范圍，則發送命令，控制加熱棒工作。

　　（4）用戶數據信息管理功能。用戶通過智能生態魚缸管理系統，添加或刪除魚缸、采集單元、控制單元等用戶設備，實現了設備的智能管理，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。

　　1.2系統總體方案設計

　　本文以魚缸為研究對象，根據上文的功能需求分析，開發了基于ZigBee無線通信技術［1］的智能生態魚缸管理系統，能夠實現生態魚缸環境的遠程監控和自動調節。本系統主要由三部分組成：環境信息采集與控制、數據傳輸、數據處理與用戶應用管理系統。系統結構如圖1所示。信號采集與控制部分包含了采集單元和控制單元。本系統的采集單元包含了對應的溫度、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備，實現魚缸內部環境的自動控制。

　　數據傳輸部分主要由ZigBee網絡、數據網關和后臺服務器組成。根據ZigBee網絡的技術特點以及本系統的應用環境，采用了星形拓撲結構，由單個協調器節點以及若干個終端節點組成，實現數據的無線傳輸［2］。協調器節點與ARM控制器構成數據網關，實現采集數據的發送和自動控制命令的接收。網關能夠通過Internet訪問遠程服務器，實現數據的上傳和下載。終端設備周期性地讀取采集單元接收的數據，并且發送至協調器節點。

　　數據信息管理系統主要包括服務器端的數據庫存儲模塊和用戶管理模塊。數據網關接收到數據后，實現數據實時上傳，服務器接收到網關的數據后，對數據進行信息化處理，并實現對數據的實時存儲。用戶管理模塊主要搭建了智能生態魚缸環境管理系統的用戶界面，方便用戶的查看和操作。

2系統硬件設計

　　2.1控制模塊設計

　　本系統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，通過終端設備的數字I/O進行繼電器高電平觸發，再配合ZigBee無線網絡即可實現外部設備的遠程開關控制，達到魚缸環境的自動調節，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繼電器模塊。其中光耦隔離使得觸發更加安全可靠，高電平觸發即說明當觸發端有輸入高電平時，繼電器吸合。本系統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。在系統中，繼電器相當于一個自動開關，只需通過ZigBee CC2530控制［3］各繼電器觸發端的高低電平即可實現設備的遠程控制。

　　2.2感知模塊設計

　　本系統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的轉換模塊，如AD轉換模塊［4］，其硬件設計框圖如圖3所示。

　　2.2.1水溫傳感器模塊

　　本系統需要測量魚缸水體溫度，而且直接深入魚缸水體內部對溫度進行測量，因此采用了防水的DS18B20數字溫度傳感器探頭。并且通過傳感器適配器來增加上拉電阻，以實現與CC2530數字I/O口的連接。DS18B20內部結構方框圖如圖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為數字輸入/輸出端，GND為電源地，VDD為外接電源輸入端。

　　DS18B20數字溫度傳感器具備單線接口，DQ端通過適配器直接與CC2530的一個數字I/O口連接，即可實現溫度數據的讀取。同時，其ROM中具有獨特的唯一64位序列號，可實現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，所以可直接通過數據線供電。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 ℃范圍內的測量精度為±0.5℃，同時具備9～12位可調分辨率。根據其時延短、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。

　　2.2.2水濁度傳感器

　　為了測量魚缸水體的渾濁程度，本系統采用了水濁度傳感器進行實時監測。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散射現象。因此根據測量水體的透光率和散射率結果，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，那么通過電阻轉換為0 V～5 V的電壓相應地就越小。

　　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輸出選擇模塊構成，其中模擬量的輸出為0 V～4.5 V的電壓，數字量的輸出為高低電平信號。本系統選擇模擬量輸出，再通過模數轉換模塊進行處理，連接到CC2530的數字I/O口，實現水濁度的實時測量。

　　2.2.3水位傳感器

　　本系統的水位傳感器用于測量魚缸內水體的高度是否達到用戶水位高度要求。由于魚缸內水位變動較小，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，實現水量到模擬量的轉換。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，需采用模數轉換模塊，將模擬量轉換為數字量輸出。

　　2.2.4模數轉換模塊

　　由于本系統ZigBee模塊包含了CC2530的數字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A/D轉換進行采樣處理，才可直接通過CC2530的數字I/O口進行采集數據的讀取。本系統采用了YL-40 AD轉換模塊，其原理圖如圖7所示。

　　本模塊主要采用了PCF8591 數模/模數轉換芯片。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，故可實現最多4個模擬輸出傳感器同時進行A/D轉換。因此，本系統只需將水濁度傳感器和水位傳感器與一個YL-40 AD轉換模塊連接即可。由于YL40 AD轉換模塊中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，由于輸出數據信號通過I2C串行總線的方式與CC2530數字I/O口進行數據傳輸，所以讀寫數據需遵循I2C總線協議。

　　2.2.5數字光強度傳感器模塊

　　本模塊主要包含了BH1750數字光強度傳感器，芯片內部結構方框圖如圖8所示。芯片內部的光敏二極管接近人眼反應，故常用于環境光照的自動控制系統，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換為電壓，再經過內置的AD轉換器，輸出16位數據，通過I2C總線接口進行數據傳輸。因此，BH1750光強度數據的讀取應遵循I2C總線協議。

3系統管理軟件設計

　　3.1系統運行環境

　　用戶后臺管理系統采用了WAMP集成開發環境，WAMP是Windows系統下的Apache網絡服務器、Mysql關系數據庫和PHP腳本語言的一種集成開發環境。

　　本系統開發采用了ThinkPHP3.2框架，ThinkPHP是開源開發框架，基于多層MVC結構，即模型層（Model）、視圖層（View）、控制器層（Controller）。其中模型層用于存放數據、業務和服務等相應接口，相當于數據庫的操作；視圖層主要包括模板和模板引擎，即網頁的布局、框架等內容；控制器層用于響應用戶操作，負責用戶的交互和事件的處理等。ThinkPHP框架將結構分層，不僅使得用戶操作清晰，網頁結構分明，而且簡化了網頁的開發工作。

　　3.2系統各部分結構設計

　　生態魚缸環境管理系統主要由用戶信息管理、設備信息管理、采集數據顯示和控制參數調節4部分組成，其總體結構框圖如圖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

　　種用戶設備信息；采集數據顯示部分包括水溫值、水濁度和光照值3部分；控制參數調節部分包括水溫調節、濁度調節和光照調節3部分。生態魚缸系統運行圖如圖10所示。

4結論

　　本文利用物聯網的“端管云”基本思想，提出了基于ZigBee 技術的智能生態魚缸系統設計方案，實現了一個完整、可擴展的生態魚缸監測系統，給出了系統中各個子模塊硬件、軟件較為詳細的設計方案，目前該系統已投入使用并運行穩定。

　　本系統采用的ZigBee技術可作為一種物聯網無線數據終端，為用戶實現無線數據采集功能，具有很好地可擴展性和可移植性，對于各種安防監控系統的構建具有重要的參考價值。

　　參考文獻

　　［1］ 王翠茹，于祥兵，王成福. 基于ZigBee技術的溫度采集傳輸系統［J］.儀表技術與傳感器,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.