应用物联网的智能生态水族箱

赖瑞镪

摘 要：为了提高养鱼的成活率及便捷性，设计一种应用物联网的智能生态水族箱。该智能生态水族箱以Arduino UNO R3为主控板，利用温度、光照、水位等传感器检测水族箱状态，使用ESP-8285 WiFi模块传输数据，实现PC端、手机端远程监控。下位机各传感器检测水族箱情况，通过ESP-8285 WiFi模块将数据实时传输到贝壳网平台。用户可登陆PC端、手机端查看数据。当检测的数据超过或者低于预设值，下位机发送报警信号，系统终端接收到信号，用户可对水族箱进行干预。

关键词：物联网;Arduino;水族箱;远程监控;成活率;WiFi

0 引 言

水族箱和观赏鱼越来越被人们喜欢，也逐渐成为现代家庭的一种时尚、一种新宠。但在养鱼时会经常出现换水不及时、水温过高等情况导致观赏鱼的成活率减低。同时随着智能技术不断在智能家居中应用，水族箱的智能化得到不断提高。但是现在市场上已有的水族箱功能都较简單，例如定时喂食功能;而且很多功能都是非常分散的，需要用户自行组装[1]。根据这些情况设计了一种应用物联网的智能生态水族箱。通过ESP-8285 WiFi模块传输下位机检测到的环境温度、水温、光照度等参数，并将参数实时上传到贝壳网平台，用户可登录PC端、手机端、微信小程序查看实时和历史数据;下位机显示屏显示时间和数据。系统接入天猫精灵可通过语音控制系统的水循环来增加水溶氧量。

1 系统总体设计

智能生态水族箱下位机以Arduino UNO R3为主控板，包含：水循环控制模块、水位、水温、环境温度、大气压强检测模块、光照度检测模块、显示模块。系统总体设计框图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 水温检测模块

大多数的热带观赏鱼适合的温度最好控制在22～28 ℃，水温的骤变会导致鱼患感冒，因此实时监测水族箱水的温度是很重要的。本系统检测水族箱温度采用的是DS18B20数字化温度传感器;该传感器的探头采用导热性高的密封胶灌封，保证了温度传感器的高灵敏性[2]。探头采用优质不锈钢管封装具有防水、防潮、防生锈等特点。该传感器在-10～85 ℃范围内精度为±5 ℃，适用于观赏鱼生存温度的检测。DS18B20以单总线协议工作，传感器工作原理如下：单片机发送复位脉冲信号，DS18B20芯片复位，接着发送ROM命令，DS18B20进入内存访问命令状态，启动温度转换，温度转换完成后;发送RAM命令读取温度，单片机读取到RAM中0，1字节完成温度检测。传感器采用独特的接口方式—单线，即DS18B20传感器与单片机进行通信时只要一条数据线即可。因此传感器与单片机之间的连接只需一条数据线再加上VCC和GND即可。传感器单线通信不仅提高了系统的抗干扰性也减少了I/O口的占用。

2.2 水位检测模块

保证水族箱里的水位是智能水族箱重要检测指标之一，有足够的水才能保证鱼有足够的活动空间。水位检测采用的是HC-SR04超声波测距传感器。HC-SR04 超声波测距模块是一款非接触式的测距传感器，可测量范围为2～400 cm，测量范围可通过模块上的电阻进行调节。模块中电阻越大测量距离越远，探测角度也越大，最大探测距离为7 m。为了保证探测距离的精度，一般电阻调节范围为20～75 kΩ，其测距精度可高达3 mm。模块具有工作电压宽、频率高、波长短、方向性好等特点。整个模块包括超声波发射端、接收端和控制电路3个部分[3]。单片机输出一个10 μs以上的脉冲触发信号（TTL电平），模块中的发射端连续发出8个40 kHz周期的脉冲信号。当脉冲信号到达水面时信号返回，接收端检测到回波信号输出回响信号;接收到的回响信号的脉冲宽度与测量的水位（距离）成正比。因此通过检测发出脉冲信号到检测到回响信号的时间间隔t，即可通过公式计算得到水位[4]。超声波的测量水位计算公式如下：

由式（1）可计算得到水位的高度。当水位低于设定值时下位机发送报警信号，同时报警信号通过贝壳网平台发送到设备端提醒用户及时添加水，保证有足够的水位。

2.3 光照度检测模块

万物生长靠太阳的说法，对于观赏鱼也是一样;足够的光照不仅能促进鱼的新陈代谢，还有利于自来水中氯气的挥发，也能杀死水中的有害菌。光照度检测模块能够实时检测水族箱所处环境光照强度;当光照强度低于水族箱所需时下位机开启光源，提供足够的光照促进鱼和水草的生长。本设计检测光照度传感器采用的是BH1750传感器，它是一种通用的光照度检测模块，内置16位模/数转换电路[5];可直接数字输出，减少不必要的计算，接近于视觉灵敏度的分光特性;能够测量较大范围的光强度变化，测量光照度范围为1～65 535 Lux，测量精度[6]可达1 Lux。通过降低功率功能，实现低电流化，传感器模块不易受到红外线的影响。

2.4 水循环控制模块

氧气是鱼在水中生存的重要一个元素，充足的氧气能提高观赏鱼的成活率。在不借助外部条件的情况下换水和水面与空气的接触以及水族箱中水草生物是氧气的主要来源，但这些提供的氧气并不多，因此为了增加水的溶氧量在水族箱的内部安装一个气泵;该气泵能将水抽送到水面上方再流进水族箱，水在流动过程中增加与空气接触增加了氧气。本系统气泵采用的立式迷你直流电机;直流电机的供电电压为4.5 V。水循环的控制由单片机执行，由于单片机输出口的电流较小无法直接驱动直流电流，因此在电机与单片机之间添加驱动电路。

当下位机接收到打开水循环开关的信号时，下位机输出口输出高电平，NPN型三极管处于导通状态，水泵中的直流电机转动;当接收到关闭的信号时，输出口输出低电平，三极管截止，直流电机停止转动。驱动电路中二极管为续流二极管，当三极管输入的电压变为0时，三极管突然由饱和状态变为截止，直流电机两端会产生较大的反向电动势，其电压可达一百多伏，此电压作用在三极管上会损坏三极管，因此续流二极管起到保护三极管的作用[7]。

2.5 物联网模块

将下位机检测到的数据通过物联网模块实时上传到贝壳网是本系统的一个重要设计，数据上传到贝壳网用户可随时查询数据不受时间、地点、设备限制。本系统物联网模块采用的是ESP-8285 WiFi模块。ESP-8285是一款WiFi控制芯片，集成了射频、无线开关、功率放大器、低噪声接收放大器、滤波器和电源管理模块[8];模块内置Tensilica L106超低功耗32位微处理器，内部有1路10位精度的数/模转换器（ADC）。物联网模块要接入贝壳网要将ESP-8285模块配置为透传模式，本系统使用AT指令进行配置。物联网模块接入天貓精灵，当物联网模块和天猫精灵同处于同一个网络，水循环的开关通过天猫精灵控制，同时也可以通过PC端、微信小程序、手机APP输入相应指令控制开断。当检测到的数据值高于或者低于设定值时，贝壳网发送报警信号，手机端、微信小程序查看报警信号人工进行现场干预[9]。系统检测的数据可实时查看实现数据可视化同时也提高观赏鱼的成活率。

3 实物制作

本系统利用仿真软件进行仿真，测试无误之后制作出实物，系统实物如图2所示。

为了准确检测水位将整个下位机系统置于水族箱侧上方。系统开始工作，各个传感器进入检测状态，DS18B20检测水温、超声波传感器检测水位、BH1750传感器检测光照度、BMP280检测环境温度这些数据通过ESP-8285 物联网传送到贝壳网，同时数据信息显示在OLED屏幕上。

本系统的测试设备主要包括智能手机、电脑等设备[10]。检测到的数据实时传输到贝壳网，用户可登录PC端、微信小程序、手机APP查看实时数据和历史数据实现水族箱状态的数据可视化，下位机每5 s传送1次数据。微信小程序、PC端的界面数据如图3和图4所示。

4 结 语

本文的智能生态水族箱应用物联网ESP-8285 WiFi模块，通过实物测试系统实现了实时监测水族箱温度、实时监测水族箱环境的光照强度、实时监测水族箱水位、实时监测水族箱环境温度，利用物联网实现了水族箱状态的数据可视化、控制智能化、远程监控管理。该系统设计占用空间小，操作简单，系统稳定，成本较低，水循环可通过天猫精灵进行控制智能化程度较高。本设计中单片机所占用的I/O口并不多，在设计过程中预留了接口可进一步添加功能。

参考文献

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[2]荣华良，刘煜辉.基于单片机简易水情检测装置研究[J].现代工业经济和信息化，2017，7（20）：25-26.

[3]陈蔚.超声波测距仪的设计和实现[J].数字技术与应用，2018，36（5）：182-183.

[4]张桂红.简易水情检测系统设计[J].信息与电脑（理论版），2017（19）：131-133.

[5]杨世权，张谦述，周聪.多路BH1750光强检测系统的设计[J].太原学院学报（自然科学版），2018，36（4）：59-63.

[6]云中华，白天蕊.基于BH1750FVI的室内光照强度测量仪[J].单片机与嵌入式系统应用，2012，12（6）：27-29.

[7]张进山.NPN型硅三极管应用电路设计[J].电子制作，2017（11）：5-8.

[8]王羽徵，刘丹，于秋玉，等.基于ESP8285的温室环境监测系统设计[J].信息技术与网络安全，2019，38（12）：5-9.

[9]张枫沛，肖世德，陶涛，等.基于Android和云平台技术的水族箱远程监控系统设计[J].自动化仪表，2018，39（3）：35-38.

[10]刘伟，林开司，刘安勇.基于物联网的鱼缸智能控制系统设计与实现.淮海工学院学报（自然科学版），2016，25（4）：1-4.