基于Android和云平台技术的水族箱远程监控系统设计

张枫沛，肖世德，陶 涛，周 瑾

(西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

20世纪八十年代，美国联合公司首次提出智能家居概念[1]。水族箱作为重要装饰物，智能化、系统化是其未来的发展方向。突破空间限制，建立技术先进、自动化程度高、运行稳定的控制系统[2]，是本课题的研究方向。文献[3-5]介绍了基于无线传感网络的智能监控系统。文献[6-7]介绍了基于云平台的远程交互式监控系统。文献[8-9]介绍了基于Android平台水产养殖监控技术，实现了水质监测和手机应用程序(application,APP)远程监控，但在传输速率、预警功能以及现场实景监测等方面仍需完善。

本文在Android及云平台技术的基础上，设计了一种水族箱环境监测控制系统，实时监测水族箱各项参数，并可通过远程终端控制投食以及视频监测现场实时情况。系统体积小、操作简单、数据传输精准、动作执行准确。

1 系统总体设计

系统架构分为下位机、上位机和智能云平台。 下位机以STM32为核心，外围设备包括数据采集所需传感器和相应动作执行模块，负责数据采集及预处理，同时接收从云平台传输过来的控制指令并完成控制。上位机终端为Android设备(平板或手机等)，通过用户界面反馈水族箱的监测数据，并根据用户要求下达指令。当上下位机信号通过WiFi模块传输给云平台,云平台根据预定程序作出决策。系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计图 Fig.1 Overall design of the system

系统正常工作，传感器获得的参数通过STM32预处理后传输到云平台，与系统设定阈值逐次比较并作出决策，根据决策结果通知上位机和控制下位机。上位机显示当前水族箱环境状态以及决策控制状态。当决策结果为增温、增氧或添水动作时，信号通过WiFi传输至下位机控制增温机、增氧机和补水泵工作(工作时长固定)；当系统工作错误或水族箱产生重大环境变化需要报警时，同时发送信号给上下位机。下位机发出现场报警信号，上位机系统终端显示报警信号。投食作为无信号反馈型动作，需从上位机终端给出操作命令，设置有手动投食和定时投食两种模式，每次投食时间默认为15 s；命令通过WiFi传输至云平台进行决策，再将决策结果传输至下位机控制投食机工作。同理，用户可根据需求给出视频监控命令，通过相同过程传达至下位机，USB摄像头采集视频信号后传达至上位机显示。

2 系统硬件设计

2.1 硬件组成

硬件由数据采集模块、处理器模块、继电器模块、动作执行模块和WiFi模块组成。数据采集模块包括系统传感器和信号调理电路；处理器模块、继电器模块和WiFi模块构成主控板；动作执行模块分别响应系统给出的升温、增氧、投食等命令并给出动作。硬件设计如图2所示。

图2 硬件设计图 Fig.2 Diagram of hardware design

处理器模块为ST公司生产的STM32F103。采用TLP2161光耦隔离芯片，防止数据采集时的外界干扰。WiFi模块通过串口与STM32连接，可嵌入外部设备。通过LM2576s芯片和ASM117-3.3芯片组成电路，将电源电压转换为5 V和3.3 V,给继电器和WiFi模块供电。

2.2 溶氧、水位调理电路

选择的溶氧和水位传感器所输出信号均为4～20 mA，而STM32只接收0～3.3 V电压信号，需用调理电路将电压信号转化为符合系统需求的电压信号。调理电路中，选用光耦隔离芯片HCNR201保证工作区域的线性要求。

调理电路接收电流和输出电压之间的关系为：

(1)

式中：R1为可调电阻，Ω;R3、R5为固定电阻，Ω;K为常数1。

3 系统软件设计

3.1 云平台数据点设计

系统选用机智云物联网公司推出的一站式智能硬件开发及云服务平台(机智云平台)。选用平台即服务(platform as a service，PaaS)模式，数据类型为布尔值，GAgent配置入网方式为airlink方式，搜索、绑定设备选用WiFi模式，下发、上报设备数据选用广域网模式[10]。上位机发出命令和下位机状态反馈通过GAgent进行数据转发，保证通信及时准确。

3.2 总体软件设计

系统总体软件设计基于keil uvision5集成环境，采用C语言程序开发，并以Source与SrcureCRT为辅开发驱动程序。系统上电并成功初始化后，首先判断有无投食或视频监测命令(用户端给出)，执行相应动作；再按序获取溶氧、水位、温度和pH值4个参数。当溶氧、水位和温度小于设定最低阈值，执行相应增氧、加水和升温动作，从而实现自动控制；当水位、温度高于设定最大阈值(警报值)或pH值超出设定范围时，系统发送警报信息上报上位机，同时打开下位机报警继电器，实现自动预警。当各项数据均在正常范围内，系统将各项数据存入数组，依靠WiFi及智能云传输方式发送至Android端，与用户交互。软件设计如图3所示。

图3 软件设计图 Fig.3 Diagram of software design

3.3 监测终端设计

上位机终端为Android设备(平板或手机等)。以JAVA程序语言开发系统APP，交互界面采用Android平台自带UI组件设计，服务器采用SQL+SOCKET实现。利用SQLite数据库实现数据储存，结合SOCKET完成网络通信[11-12]。利用Eclipse软件中Bin目录中编译生成的APK文件可直接安装在Android手机或平板上。相比传统的有线通信以及Z-Wave、ZigBee等无线通信方式，系统采用WiFi通信技术，减少了时间、空间、环境的限制，并且具备大量数据传输能力和超高传输速率等优点。用户直接通过APP交互界面监控，方便快捷。

应用Android平台自带UI组件设计交互界面，包括登陆界面和主控界面和视频界面。用户通过登陆界面进入主控界面，实时查看水族箱各项，可通过视频界面实时查看现场视频，并可截图保存实时状况。数据异常时，系统会通过弹窗模式提醒用户查看数据。

4 系统测试

本系统已在试验室搭建成功，水族箱大小为40 cm×35 cm×40 cm。水温阈值范围设定为22～30 ℃，水位阈值范围为25～30 cm，pH阈值范围设定为7.1～8.8，溶氧阈值最低值设定为7.8mg/L。考虑到执行机构周边环境会影响传感器的读取准确度，相应传感器均安装在远离执行机构端；同时，考虑到不同水深的溶氧值会有区别，溶氧传感器安装在15cm处(水位中段)；增氧机导管安装于水族箱底部，达到充分供氧。增氧机、增温机、投食机和报警装置直接与继电器连接，并由程序控制。对水族箱进行24 h监测，每隔2 h记录一次数据。表1为某天系统测试结果。

表1 系统测试结果Tab.1 Results of system test

由表1可知，结合Android及云平台技术，控制系统可实时监测温度、溶氧、pH、水位参数，并同时对温度、水位和溶氧进行自动控制。水族箱内各参数在监控时间内均保持稳定。其中：温度稳定在25 ℃左右，溶氧值稳定在8.1 mg/L左右，水位稳定在28 cm左右。pH值与投食量、换水频率和鱼类排泄等有关系。一旦超过阈值，系统则会报警，监测期间pH值稳定在8.1左右。投食动作为用户端主动给出，表中未记录。测试可知，该系统能保证溶养和水位的精确度在0.3 mg/L和2 cm之内，保证温度控制在22 ℃以上的观赏鱼生存适宜范围，满足观赏鱼养殖的需求。系统具有较强的实时性、便捷性，在各项数据超出设定阈值时，用户端和水族箱现场均能报警提醒，并可通过用户端视频监测现场情况。

5 结束语

系统充分利用了云平台和Android操作系统的远程传输便捷性和开发优势，配合STM32控制器，实现了智能水族箱系统的高效、及时的监控管理。根据当代家居环境的要求，提出了以远程监控的方式管理水族箱系统的设计模式，并通过实物验证。测试表明，系统能够实现对温度、溶氧、pH值、水位4个参数的实时监测，并达到自动控制效果，同时实现了视频监控功能，满足了当代对家居舒适性、智能性的要求。

参考文献:

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