基于物联网平台的智能鱼缸监控系统设计与实现

廖明华 黄育雄

摘要：智能鱼缸监控系统以Arduino UNO R3为控制核心，利用传感器采集大气温湿度、光照强度、鱼缸内的温度等数据，通过Wifi上传到OneNET云平台，手机App调用云平台API实时远程获取鱼缸环境参数，同时下发命令控制灯光、喂食、恒温等。

关键词：智能鱼缸;OneNet;Arduino;Wifi

中图分类号：TP368.1   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）02-0115-03

1 背景

据有关资料显示，目前全世界观赏鱼缸业正以每年超过10%的速度增长，在家居环境或是休闲娱乐场所都有各种各样的鱼缸，而保持一个适宜鱼类生活的环境是一件非常耗精力的工作[1]，但目前市场上常用的鱼缸控制系统产品繁多，功能不统一，没有实现系统化，不仅增加了成本，而且影响美观。此外，现有技术中的智能鱼缸大多无法提供远程服务，即使有部分产品能够提供对鱼缸的远程监测，但也无法提供对鱼缸的远程控制，这样即使发现鱼缸内的环境不佳，也无法立即进行控制改善，影响了用户的体验。

随着国家经济水平的提高和人们对优质生活的追求，集水温、清洁、喂养、补氧等功能于一体的智能鱼缸将成为人们的新宠，为完善现今鱼缸存在的技术问题，同时满足用户日益增长的新需求，本文设计实现了一套基于物联网平台的智能鱼缸系统，可以实现鱼缸生态环境的自我管理，同时在手机端查看鱼缸的实时情况，远程操控改善鱼类生活环境状态。

2 智能鱼缸监控系统设计方案

如图1智能鱼缸监控系统功能结构图所示，系统包括主控模块、WIFI模块、环境监测模块、恒温加热器、供氧过滤水循环器、光照模块、喂食模块，云端服务器和控制终端。

主控模块为ATMEGA328P芯片，能控制鱼缸所需的各个模块，实现智能照明、智能温控以及智能喂食，系统通过主芯片的代码控制，达到了功能系统化的效果，降低了购买设备的成本。温度傳感器采用了DS18B20模块，该模块具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的特点[2]，使鱼缸的水温保持在用户所设定的温度值，保证鱼缸水体的恒温效果;智能照明可根据外界光照强度变化进行调节，使得鱼缸的美观性更强;智能温控保证了鱼缸的恒温状态，三合一供氧水循环系统具有供氧、过滤、水循环的功能，保证了鱼缸水体的质量，智能喂食可通过直流电机带动桨叶旋转，当桨叶孔转过饲料孔时，饲料就可以从孔中掉落进鱼缸。

WIFI模块为ESP8266芯片，主控芯片通过WIFI接入因特网，采用EDP通信协议与中国移动物联网开发云平台OneNet进行通信，实现鱼缸温度，光照等环境数据的监测和温控、补光、喂食等控制命令的下发。

控制终端有基于C#的PC上位机和Android手机App，采用HTTP通信协议与中国移动物联网开发云平台OneNet进行通信，实现鱼缸环境数据的监测和控制命令的下发。

3 系统软硬件设计

3.1 硬件设计

图2所示为智能鱼缸监控系统的电路原理图，A1表示恒温加热器、A2表示供氧过滤水循环器、A3表示光照模块、A4表示喂食模块，主控模块、WIFI模块以及环境检测模块用各自采用的芯片型号表示。

3.2 软件设计

1）Arduino主程序

本系统采用Arduino UNO R3为控制核心，对鱼缸水体温度、室内大气温湿度以及鱼缸光照强度等实时数据的采集，再由WIFI模块实时传输到OneNET控制终端，达到对鱼缸环境实时监测，用户可通过控制终端查看鱼缸环境的实时数据，并通过控制终端下发相应的控制指令，用户可以对这些数据利用专家系统进行分析，通过控制设备上连接的恒温器、三合一供氧过滤水循环器、直流电机（智能喂食系统）等设施的手段，可以实现自动智能的调节和控制，使得鱼儿生活环境始终处于最佳状态，以实现智能鱼缸的目标。

本系统的工作流程图如图3所示。

2）云端服务器

云端服务器采用OneNET云平台的多协议接入中的EDP协议。OneNET定位为PaaS服务，即在物联网应用和真实设备之间搭建高效、稳定、安全的应用平台：面向设备，适配多种网络环境和常见传输协议，提供各类硬件终端的快速接入方案和设备管理服务;面向应用层，提供丰富的API和数据分发能力以满足各类行业应用系统的开发需求，使我们不用将工作重心放在设备接入层的环境搭建上，从而缩短系统的形成周期，降低研发、运营和运维成本[3]。

EDP协议适用于设备和平台需要保持长连接点对点控制的使用场景，基于TCP协议的，该协议只传输数据包到达目的地，不保证传输的顺序与到达的顺序相同，事务机制需要在上层实现;若客户端同时发起两次请求，服务器返回时，不保障返回报文的顺序，EDP协议适合于数据的长连接上报、透传、转发、存储、数据主动下发等场景[4]。

在OneNet平台上创建产品，产品的接入方式选择公开协议，联网方式选择WiFi，模组选择安信可ESP266-XXX系列，设备接入协议选择EDP协议[5]，创建产品完成后，创建设备，数据保密性设为公开，设备创建完成后，创建应用，分别记录鱼缸内温度，室内温度，大气湿度，编辑应用界面，放置相应的按钮及图形，修改相应按钮下发指令数据设置，即可从电脑Web端进入OneNet平台中智能鱼缸监控系统控制界面，效果图如图4所示，实现鱼缸数据的监控。

3）基于C#的PC上位机

上位机通过HTTP协议，调用OneNET平台提供的API，实时更新鱼缸数据，同时获取采集数据时间，并将数据实时存储到指定路径的text文档中或本地SQL Server数据库，用户还可以通过上位机下发命令，控制投喂，恒温，灯光，三合一电器的开关，如果进入自动读入模式，可以每隔60S左右自动刷新一次数据，根据光照强度、水体温度的数值进行自动控制。

4）Android手机App

用户使用手机App可以随时随地通过HTTP协议，调用OneNET平台提供的API，实时更新鱼缸数据，同时获取采集数据时间，还可以下发命令，控制投喂，恒温，灯光，三合一电器的开关，同样可以控制进入自动读入模式。

4 系统测试数据分析

系统在整体设计结束后，结合硬件和软件进行最后阶段的测试调整，以确定系统的正常运行和稳定性。

图7为在系统正常运行时，快速改变鱼缸水体温度值，实时采集水体温度值变化，同时分别记录云平台，PC上位机，手机App上水体温度值的变化，经分析，在网络环境良好的情况下，云平台，PC上位机，手机App在水体温度发生变化时，能实时监测到水体温度变化的情况，但出现2～5s的延时，同样下发命令也能得到有效执行，表明整体的设计调试达到预期的效果，整体的设计已完成。

5 总结

本文设计的智能鱼缸监控系统，用户可以远程监测鱼缸的实时数据，同时下发控制命令，实现远程喂食和温控的目的。本系统相比于市场售卖的智能鱼缸具有一定的优势，解决了市面上产品繁多，功能不统一，且大多是非智能化的、单一的恒温控制、充氧或照明系统的问题[1]，通过一个开发板链接多个功能模块，降低了成本的同时节约了资源，使景觀型智能鱼缸系统更符合市场的需求。

参考文献：

[1] 蓝鱼水族器材.鱼缸智能控制系统研究与现状[OL].

https：//www.sohu.com/a/283380050_100208248， 2018-12-23.

[2] 申长安.基于DS18B20的温度监测报警与智能控制系统[J].安阳工学院学报，2014，13（2）：11-13，32.

[3]  leven98 - CSDN博客.OneNET之mqtt连接[OL].https：//blog.csdn.net/leven98/article/details/106351823，2020-5-26.

[4] OneNET文档中心. [OneNET设备云平台]云平台对接服务_智能设备[OL].https：//open.iot.10086.cn/doc/art574.html，2021-8-2.

[5] 王顺-Arduino中文社区.智能鱼缸[OL].https：//www.arduino.cn/forum.php？mod=viewthread&tid=78444，2018-6-11.

【通联编辑：梁书】

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