基于物联网的智能鱼缸系统设计与实现

基于物联网的智能鱼缸系统设计与实现

李云舒1李上2

1.宁夏大学宁夏银川750021；2.西安铁道技师学院陕西西安710038

摘要：很多家庭在居家生活中都配置鱼缸，以调节家庭氛围，美化家庭环境。然而，鱼缸维护管理较为繁琐。随着物联网智能家居的到来，当智能家居遇到物联网，两者发了化学反应般的质变，让智能家居更加多元化。基于物联网的智能鱼缸系统降低了主人维护鱼缸的难度，实现了科学化的家庭养鱼模式，给用户带来了全新的体验。本文将结合物联网技术设计与实现智能鱼缸系统，以供参考。

关键词：物联网；智能鱼缸系统；设计

前言：

目前市场上的许多智能鱼缸系统是利用单片机智能控制原理，但是随着物联网技术的发展，家居生活也逐渐向智能化方向迈进，“云端”智能鱼缸模式对传统鱼缸进行了改造和功能升级。

1物联网智能化的三大结构

物物相连就是物联网，在智能化对象中通过装置在对象（人或物）体上的各种信息感知设备，并通过相应的接口，把物物互联，进行数据交换和通信，最终目的是实现智能对象的智能化识别、定位、跟踪、监控、管理和服务的一种巨大网络。依据物联网智能化概念，可以看出大致分为三层结构：

1.1感知层

应用物联网技术构建感知层目的，是实现智能化对象与用户形成感知，方便用户合理而有效利用智能系统各个功能。构建感知层主要利用物联网技术传感器技术手段，促使智能系统能够感知到对象，捕获信息，下达指令。

1.2网络层

保证智能系统能够有效的应用，网络是必不可少条件。因此，运用物联网技术构建网络层是对智能系统所应用网络进行优化和保护，促使智能系统能够运用到高质量的网络。应用物联网技术构建的网络层包括通信网络与互联网形成的融合网络、物联网中心、信息中心、云计算平台等。

1.3应用层

物联网智能化应用层是指将物联网技术和智能化对象相结合，使智能化对象应用性增强。构建应用层是将物联网技术应用到智能化对象中的关键环节。两者能否有效的结合直接关乎物联网智能系统的应用价值，对智能系统及其行业发展有巨大的影响。

2基于物联网的智能鱼缸系统总体设计

本文设计的智慧鱼缸远程控制系统是一种以嵌入式芯片为控制核心、综合利用嵌入式和物联网技术、通过相关传感器的应用、并借助手机终端实现对鱼缸的远程监视与控制，通过水温水位传感器，水质PH值检测传感器、CO2浓度监测传感器，温湿度传感器对鱼缸的水温、水位、PH值，CO2浓度实现对鱼缸生态系统的实时监测，用户可以通过客户端浏览到这些信息，该系统可以实时的监测鱼缸的相关参数，并以此判断鱼缸当前的物理环境状况，根据生态状况，系统自动调节气泵、水泵等的运行，对鱼缸进行充氧、换水等相关操作。

智慧鱼缸控制系统由控制部分和物联网网关两个部分组成。本系统运用了嵌入式及物联网控制的原理，由多个系统组成：温度控制系统、水位控制系统、溶氧量控制系统、饲料控制系统、ph值控制系统。通过芯片与处理器之间的互联，可在手机终端实现远程监控。

本系统控制的目的是让鱼缸有自我调节的能力，给鱼更好的生态环境以及给人更舒适的观赏体验。需要控制的参数有：水温，水位，水质，水溶含二氧化碳量，饲料量，系统可以根据检测到的这些指标自动控制加热器的关闭、水泵是否开启、按时换水、氧气泵的启动、自动投放饲料等。

3基于物联网的智能鱼缸系统的设计与实现

3.1系统硬件设计

（1）Arduino模块设计

智能鱼缸是以Arduino模块为核心构建的系统，其中Arduino模块主要负责提取传感器采集到的数据进行分析处理，并通过ESP8266模块实时上传服务器。Arduino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。

（2）ESP8266数据传输模块设计

ESP8266模块作为Arduino模块与服务器之间的数据交换枢纽，主要完成服务器与Arduino模块的连接，负责数据的上传和接收。ESP8266与Arduino模块之间通过串口进行数据通信，ESP8266与服务器之间通过EDP协议进行通信。

（3）控制电路模块设计

控制模块使用继电器作为整个控制电路的开关。水泵、加热器、增氧器、喂食器通过继电器连接到Arduino模块，用户发送的指令会转化为ArduinoI/O输出口的高低电平，完成控制模块的操作，调节鱼缸内的环境参数。

（4）温度传感器

温度传感器主要用于检测鱼缸水温，有些鱼种比如热带鱼对水温比较敏感，需要对水温进行实时控制，如果水温低于预设报警水温，系统将通过蜂鸣器提醒客户对水温加热，本系统未设计水温加热设备，用户根据需要添置。热带鱼对水温要求很高，通常在18℃—32℃能存活，在20℃—30℃时最为活跃，对水温变化非常敏感，通常温差不能超过3℃。采用温度范围广，测量精度高的DS18B20温度传感器比较合适。

（5）显示模块

显示模块用于显示当前投料机的各种状态，以及用户交互设置后的状态改变等信息，显示内容较多，选用常用的12864带字库液晶屏可以满足显示需要。

3.2系统软件设计

（1）服务器配置与实现

服务器采用MVC架构，分别为模型-视图-控制器，在视图层利用Web动态显示鱼缸环境参数的变化以及鱼缸的当前状态，用户登录系统后可查询鱼缸各控制模块的开关状态和鱼缸环境参数变化（包括室内温度、鱼缸水位、鱼缸水温、光照强度等），用户通过控制模块切换开关状态，服务器将会发送相对应的指令给Arduino模块。控制层对数据库和Arduino操作提供接口供模型层调用，模型层为数据逻辑处理和信息预警提供方法，当服务器监测到Arduino模块上传到的异常数据，服务器会第一时间调用电子邮件接口，将异常信息通过电子邮件发送给用户。

（2）Arduino模块数据处理

Arduino模块读取传感器采集数据，分析采集到的温度、光照强度等是否适合鱼类生存，分析环境参数的变化幅度是否在正常范围，当环境参数变化幅度过大或环境参数异常，Arduino模块通过分析异常数据后控制对应I/O口输出高低电平完成控制模块操作，直至环境参数恢复正常，同时向服务器上传异常数据。Arduino模块与ESP8266模块之间以串口通信方式进行数据交换，ESP8266模块采用EDP协议与服务器进行通讯，将Arduino模块打包封装好的数据上传服务器并接受服务器下发的指令转发给Arduino模块。

（3）数据库设计与实现

数据库主要用来存储环境参数数据和用户信息数据，为用户登录提供依据，使合法用户可以清楚地了解鱼缸当前的环境参数以及历史记录。

（4）云服务器设计

云服务器实现用户注册和远程登录访问功能，是连接喂鱼机与客户端数据交互的桥梁。客户端与服务器简历连接后，客户端向服务器发送数据信息，服务器接收到信息后，根据用户请求，检验用户名和密码是否正确，正确后根据用户的要求作出相应的响应。

（5）客户端设计

客户端方便用户实时查看喂鱼机，并控制喂鱼机运行状态。客户端数据来源于云端服务器，所以要保障网络连接畅通。在家庭局域网状态下，客户端和喂鱼机实现WIFI互联，在不连接外网的情况下也能稳定运行。在使用过程中，通过客户端的绑定功能将客户端和喂鱼机系统进行绑定，绑定完成后，客户端就可以自动连接网络。

结语：

综上所述，本文通过设计基于物联网的智能鱼缸系统，系统具有远程控制、自动投喂、控温等功能，用户可通过客户端实时查看智能鱼缸系统运行状态，并能远程控制。

参考文献：

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[2]张枫沛.智能水族箱远程监控系统设计[D].西南交通大学，2018.

[3]吴蓬勃，张金燕，张小苗.基于nRF52832的蓝牙鱼缸水情检测系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2018，18（02）：79-83.