基于物联网的智能鱼缸远程控制系统设计及开发

文/张志辉 张小花 王嘉辉 黄泽鸿

随着物联网技术及软件技术的普及，国内外嵌入式应用发展迅速，各种智能家居随之进入了我们的生活，紧跟而来的是市场上蒸蒸日上的智能鱼缸使用。本研究通过单片机对智能鱼缸进行控制，并实现服务器与上位机的搭建以及单片机与上位机的之间的远程通讯，从而对鱼缸进行远程监测及控制。由中央处理器执行相关操作，调控鱼缸的水体环境，为鱼儿提供最佳的生存环境。在温度等参数处于异常时，由中央处理器发出指令对其进行调控。从而实现科学自动喂养，在功能上表现出良好的稳定性与可靠性。

图1：系统硬件结构图

1 系统总体设计方案

系统的总体设计方案分为基于单片机对鱼缸的水体环境控制和基于Python的客户端对鱼缸环境参数的查看。通过单片机实现对鱼缸环境的智能控制，控制的部分包括：温度，PH值，浑浊度，照明，氧气。在温度，PH值等过高或过低时由中央处理器发出相关指令进行控制。同时完成基于C/S的客户端设计，用户可以通过客户端查看鱼缸的温度，PH，浑浊度等相关数据，也可直接通过鱼缸上的显示器查看。另外在上位机设置控制命令，如升降温、升降PH值、升降溶氧量、开关排水装置，实现对智能鱼缸的远程控制。

图2：智能鱼缸硬件图

2 硬件设计

本次项目设计主要由传感器获取环境内温度等因子数值，获取之后传输给中央处理器，再通过SIM900A无线传输模块与服务器、上位机进行交互，实现远程监测、控制的功能。

2.1 单片机模块设计

图3：上位机24小时对溶氧量的监控图

STM32单片机硬件外设资源十分丰富，具有高性能、低功耗的优点。单片机控制器通过温度传感器、PH值检测装置、溶氧量传感器、浑浊度传感器检测装置获取环境因子。单片机通过分析采集到的数据智能启停换水系统开关、喂食系统开关、增氧系统开关、照明系统开关等操作以维持鱼缸生态平衡，同时接收服务器下发的指令完成相对应的操作。系统硬件设计结构图整体设计思路如图1所示，硬件实物图如图2。

2.2 SIM900A无线通讯模块设计

SIM900A通讯模块主要完成服务器与单片机数据的交互，负责数据的上传和接收。首先需要搭建服务器以及上位机，再通过套接字实现两者的传输。当能够成功连接时，就可以借助SIM900A模块通过TCP传输协议与单片机进行数据传输。为了响应外部请求，单片机系统采取中断响应的方法。

3 软件设计

3.1 服务器配置

由于单片机内部储存区域比较少，无法实现大批量存储，所以数据需要保存在服务器中。单片机只负责执行接收，比较和发送，当单片机接收来自传感器的数据后，相隔一定的时间，通过无线传输的网络模块向服务器传输数据，以便用户需要时能及时地接收到信息。当用户对鱼缸控制系统发送控制命令时，数据会先上传到服务器，再由服务器和无线网络模块传输到单片机系统，最后再由单片机系统执行相关操作。

3.2 上位机设计

通过上位机直接发出控制指令，传递给下位机，完成对各个模块的远程控制、监测。在上位机界面中，不仅可以实时获取当前时间，也可以持续显示从单片机外围的众多传感器所获取的最终数据，实现远距离地获取鱼缸水体内的温度、PH值等传感器信息。通过上位机的界面，也能够实现与单片机的交互控制，远程对单片机发送命令，从而对单片机所监控的水体环境进行控制。上位机程序支持将历史的数据保存在本地，并存储为CSV文件以供用户方便查看。上位机界面通过Python程序语言进行开发，通过无线传输数据的方式即可实现无线监控。当用户输入正确的IP地址以及指定端口登录后，后台系统开始运行。用户可以在上位机中通过控件查看最近24小时的温度变化、PH值变化、溶氧量变化、浑浊度变化。当需要对单片机进行升温、排水时，用户也可以按下“升高温度”、“降低PH值”等控件进行控制。24小时溶氧量监控效果图如图3所示。

4 结语

本文是根据国内外市场上鱼缸的情况，在原有设备的基础上，加入了远程智能监测，用户可以在不考虑地理位置的情况下观察鱼缸水体环境的情况并根据实际情况进行控制。并且将多个传感器集成于同一微处理器中，体现了设计灵活、结构简单等优势。系统测试表明设计方案切实可行，具有较高的实用价值。