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应用物联网的智能生态水族箱

发表时间：2020/10/19 来源：《基层建设》2020年第19期作者：田成

[导读] 摘要：随着经济和科技水平的提高，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。

        大连东软信息学院辽宁省大连市 116033
        摘要：随着经济和科技水平的提高，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单，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。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-8285WiFi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。
        关键词：物联网；Arduino；水族箱；远程监控；成活率；WiFi
        引言
        近年来，随着国民经济的快速发展和社会主义精神文明建设不断推进，为水族产业提供了一个又好又快发展的良好环境。很多城市举办了观赏鱼放流、水族箱展览、水族专业知识讲座、造景优秀作品拍卖等形式多样的活动，相关专家也向大众普及了水族文化、历史、养殖、鉴赏等知识。现代人类文明社会中，人们在追求物质生活的同时也要求有丰富多彩的精神生活。水族箱造景既可以使人培养动手能力，是一项不错的锻炼，又可以使人赏心悦目，有利于陶冶性情，其别具趣味，满足了人们对美好生活向往的需求，堪称是一项有利于身心健康的活动。
        1水族箱硬件系统
        微控制器是整个系统核心，通常选用高性能的单片机比如STM3F103系列单片机构成，其内部往往包含64KB的FLASHROM和20KB左右的RAM，可以满足简单算法控制的运算能力需求。外部模块中主要包含检测、输入、输出、显示与传输、电源及扩展等若干模块。其中检测模块包含水温传感器、水位传感器和浊度传感器三部分，用于检测水族箱的环境因子，以便微控制器根据箱内环境变化做出决策，启动过滤、补水或加热系统。灯光控制、过滤控制、增氧控制、自动投饵控制、补水和加热系统构成了水族箱智能硬件的执行机构模组。其中灯光系统是一组高亮度LED补光灯，用于向水族箱内补光，但需要注意的是，光照会加剧箱内藻类繁殖，因此光照时间需要精确控制，非必要时不开启补光灯。过滤系统核心是一个受控的“增氧———造浪———过滤”三合一微型水泵，本次设计中水泵额定功率6W，扬程约为0.8m，流量约每小时350升。根据研究，天然水体的溶氧量通常在7mg/L，而水族箱内通常为3-5mg/L，增氧系统主要用于向水中补充氧气，尤其是在箱内鱼群密度较高时，增氧系统的效果除了跟工作功率有关外，还跟气石涌出的气泡大小有关，在条件允许情况下，应优先选择气泡颗粒较小的纳米气盘，以增大空气与水接触面积，提高溶氧效率。自动投饵系统由一个电机以及附属机械结构组成，通过微控制器定时控制阀门的开闭时间长短，打开时间越长，投饵量越多，且投饵系统与过滤系统需要协调，如果15分钟内鱼儿没有吃完饵料，则开启过滤系统，将多余饵料过滤掉，以免污染水质。加热系统是一个PMW控制的金属壳加热棒，利用PWM和PID算法，精确控制温度并改变温度变化率，将其稳定在鱼类最适宜的温度水平上。
        2系统软件的实现
        2.1数据库的实现
        SQLite是一个轻量级的数据库，它最初是嵌入式设计的，占用的资源很少，在内存中只需要占用几百KB的存储空间，Android移动设备大多采用SQLite，这也是我们选择SQLite的主要原因之一。

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在数据库操作中，当待办查询涉及多表查询的时候，连接查询无疑优于嵌套查询，这是因为在得到相同结果的前提下，连接查询需要扫描查询表的次数要远远小于嵌套查询扫描的次数，连接查询只是将大部分时间花在了Join操作上。当单表的数据量很大的时候，连接查询的优势则更为明显。所以当出现这种情况，选择优先使用连接查询。
        2.2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-8285WiFi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；模块内置TensilicaL106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。物联网模块接入天猫精灵，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。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。
        2.3水族箱的维护
        水族箱是一个微生态环境，水生植物和微生物健康生存需要充足的光照和清新的水质，因此每天都要向提供水生生物大约8h～10h的光照，光照不易过强或者过弱，应定期检查各设备是否正常运作。养殖观赏鱼的水族箱，由于投喂饵料造成水体富营养化，因此需要定期换水，每次换水量为20％～25％；换水时要清理或更换过滤器的生态棉；也要定期观察观赏鱼的健康状况。
        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4.5V。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。
        结语
        在水族箱智能控制方面，也能实现很好的控制效果。现在水族箱智能控制器还属于比较小众的领域，但个性化需求进一步凸显，会涌现出各种各样适合不同类型水族箱的控制器，其生态环境控制和模仿能力还将会进一步提高。同时智能水族箱融入智能家居系统，也会给这一“古老”的爱好增添新的乐趣。
        参考文献
        [1]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.
        [2]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.
        [3]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.