Nesnelerin İnternetine Dayalı Akıllı Ekolojik Balık Tankı Sisteminin Tasarımı ve Uygulanması
Sun Hongbo
(İletişim ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Nanjing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Nanjing 210003, Jiangsu)
Nesnelerin İnternetine dayalı bir dizi ekolojik balık tankı çevresel izleme sistemi tasarlanmıştır.Sistem temel olarak üç bölümden oluşur: çevresel bilgi toplama ve kontrolü, veri iletimi ve veri bilgi yönetim sistemi. Sistem, ekolojik balık tankındaki çevresel bilgileri toplamak için sensör algılama teknolojisini kullanır ve toplanan verileri kablosuz ZigBee iletim teknolojisi aracılığıyla kontrol merkezi düğümüne gönderir ve ardından veri iletişim ağ geçidi aracılığıyla arka plan sunucusuna yükler ve son olarak sunucu her cihaz terminaline kontrol komutları gönderir Balık tankı ortamının otomatik olarak ayarlanmasını sağlayan düğüm. Pratik kullanım, sistemin kararlı bir şekilde çalıştığını ve gerçek zamanlı ve dinamik balık tankı ekolojik çevre izleme ihtiyaçlarını karşılayabildiğini gösterir.
Sensör; ZigBee; Akıllı kontrol; Nesnelerin İnterneti
TP212.9 Belge tanımlama kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2016.23.020
Sun Hongbo. Nesnelerin İnternetine dayalı akıllı ekolojik balık tankı sisteminin tasarımı ve uygulaması J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2016,35 (23): 69-72.
0 Önsöz
Nesnelerin İnterneti teknolojisinin gelişimi, algılama teknolojisi, iletişim teknolojisi, otomasyon teknolojisi ve yapay zekayı birleştirdi. Balıkların yaşama ortamı faktörlerinin analizine dayalı olarak, bu makale Nesnelerin İnternetine dayalı bir dizi ekolojik balık tankı çevre izleme sistemi tasarlamaktadır. Akıllı ekolojik balık tankı, su kalitesi, su seviyesi, su sıcaklığı, oksijen içeriği vb. Gibi bir sensör ağı kurarak, verileri veri işleme ve analiz için veri yönetim merkezine yükleyerek ve kontrol komutlarını balık tankı ortamına döndürerek balık tankının iç su çevresel faktörlerini gerçek zamanlı olarak izler. Öz denetim yalnızca balıklar için uygun bir ortam sağlamakla kalmaz, aynı zamanda balık yetiştiriciliğinin karmaşıklığını da büyük ölçüde azaltır.
1 Sistem genel tasarım planı
1.1 Sistem işlevi gereksinim analizi
Ekolojik balık tankı özelliklerinin analizine göre, bu makaledeki sistem temel olarak aşağıdaki işlevleri içerir:
(1) Çevresel verileri gerçek zamanlı olarak toplayın. Sistem, gerçek zamanlı veri toplama işlevini gerçekleştirmek için sıcaklık, su seviyesi, su bulanıklığı, ışık ve diğer sensör modülleri aracılığıyla sensör verilerini periyodik olarak okur, böylece kullanıcılar balık tankı ortamındaki değişiklikleri gerçek zamanlı olarak anlayabilir.
(2) Balık tankı ortamındaki değişiklikleri her zaman ve her yerde görüntüleyin. Kullanıcılar akıllı ekolojik balık tankı yönetim sistemine intranet üzerinden giriş yapabilir ve balık tankındaki su sıcaklığı, su seviyesi, su bulanıklığı ve ışık yoğunluğu gibi çevresel parametrelerdeki değişiklikleri gerçek zamanlı olarak görüntüleyebilir; bu, üç şekilde ücretsiz olarak sunulabilir: tablo, çizgi grafiği ve sütun grafiği ve Geçmiş verilerin görüntülenmesini destekleyin.
(3) Değer aralığı işlevini serbestçe ayarlayın. Kullanıcı, akıllı ekolojik balık tankı yönetim sistemindeki parametrenin değer aralığını ayarlayabilir.Örneğin, maksimum sıcaklığı ve minimum sıcaklığı ayarlayarak, halihazırda toplanan balık tankı su sıcaklığı değer aralığını aşarsa, ısıtma çubuğunu kontrol etmek için bir komut gönderilecektir.
(4) Kullanıcı verileri bilgi yönetimi işlevi. Akıllı ekolojik balık tankı yönetim sistemi sayesinde kullanıcılar, kullanıcıların görüntülemesi ve geçiş yapması için uygun olan, ekipmanın akıllı yönetimini gerçekleştirmek için balık tankları, toplama üniteleri ve kontrol üniteleri gibi kullanıcı ekipmanlarını ekler veya siler ve Web üzerinden çeşitli kullanışlı ve hızlı bilgi yönetimi hizmetleri sağlar.
1.2 Genel sistem tasarımı
Bu makale, balık tanklarını araştırma nesnesi olarak alır ve yukarıdaki işlevsel gereksinim analizine dayanarak, ZigBee kablosuz iletişim teknolojisine [1] dayalı, ekolojik balık tankı ortamının uzaktan izlenmesini ve otomatik ayarlanmasını gerçekleştirebilen akıllı bir ekolojik balık tankı yönetim sistemi geliştirilmiştir. Bu sistem temel olarak üç bölümden oluşmaktadır: çevresel bilgi toplama ve kontrolü, veri iletimi, veri işleme ve kullanıcı uygulama yönetim sistemi. Sistem yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Sinyal edinme ve kontrol bölümü, edinim birimini ve kontrol birimini içerir. Bu sistemin toplama ünitesi, sıcaklık, su bulanıklığı, su seviyesi, ışık yoğunluğu gibi ilgili sensör modüllerini içerir ve kontrol ünitesi, balık tankının iç ortamının otomatik kontrolünü gerçekleştirmek için düşük basınçlı ısıtma çubukları, su pompaları ve doldurma ışıkları gibi harici kontrol ekipmanı içerir.
Veri aktarımı bölümü temel olarak ZigBee ağı, veri ağ geçidi ve arka plan sunucusundan oluşur. ZigBee ağının teknik özelliklerine ve bu sistemin uygulama ortamına göre, kablosuz veri iletimini sağlamak için tek bir koordinatör düğümünden ve birkaç terminal düğümünden oluşan bir yıldız topolojisi benimsenmiştir [2]. Koordinatör düğümü ve ARM denetleyicisi, toplanan verilerin gönderilmesini ve otomatik kontrol komutlarının alınmasını gerçekleştiren bir veri ağ geçidi oluşturur. Ağ geçidi, verilerin karşıya yüklenmesi ve indirilmesi için İnternet üzerinden uzak sunucuya erişebilir. Terminal cihazı, toplama ünitesi tarafından alınan verileri periyodik olarak okur ve koordinatör düğüme gönderir.
Veri bilgisi yönetim sistemi temel olarak bir veritabanı depolama modülünü ve sunucu tarafında bir kullanıcı yönetim modülünü içerir. Veri ağ geçidi veriyi aldıktan sonra verinin gerçek zamanlı olarak yüklenmesini gerçekleştirir.Sunucu ağ geçidinden veriyi aldıktan sonra veri üzerinde bilgi işlemeyi gerçekleştirir ve verinin gerçek zamanlı saklanmasını gerçekleştirir. Kullanıcı yönetimi modülü temel olarak, kullanıcıların görüntülemesi ve çalıştırması için uygun olan akıllı ekolojik balık tankı çevre yönetim sisteminin kullanıcı arayüzünü oluşturur.
2 Sistem donanımı tasarımı
2.1 Kontrol modülü tasarımı
Bu sistemin kontrol modülü, uzaktan kumanda edilebilen bir akıllı sıra soketinden oluşur.Harici cihazı sıra soketine bağlamanız yeterlidir.Her bir soket 5 V röle modülüne bağlıdır ve röle, terminal cihazının dijital I / O'su üzerinden yüksektir. ZigBee kablosuz ağı ile birleştirilmiş seviye tetikleyicisi, harici ekipmanın uzaktan anahtar kontrolünü gerçekleştirebilir ve balık tankı ortamının otomatik olarak ayarlanmasını sağlayabilir.Modül devre şeması Şekil 2'de gösterilmiştir.
Kontrol modülü, optocoupler izolasyonlu yüksek seviye tetik rölesi modülüne sahip 5 V kullanır. Bunların arasında, optokuplör izolasyonu, tetiği daha güvenli ve daha güvenilir hale getirir.Yüksek seviyeli tetik, tetik terminali yüksek bir giriş seviyesine sahip olduğunda rölenin kapalı olduğu anlamına gelir. Bu sistem, rölenin normalde açık ucunun bağlantı yöntemini benimser Güç şeridi fişinin canlı teli halka açık uca bağlanır ve soketin canlı kablo ucu normalde kapalı uca bağlanır. Sistemde röle otomatik bir anahtara eşdeğerdir ve cihazın uzaktan kumandası sadece ZigBee CC2530 üzerinden her bir röle tetikleme terminalinin yüksek ve düşük seviyeleri kontrol edilerek gerçekleştirilebilir.
2.2 Algı modülü tasarımı
Bu sistemin toplama ucu esas olarak sıcaklık, su bulanıklığı, su seviyesi, ışık yoğunluğu gibi sensör modüllerini ve AD dönüştürme modülü [4] gibi karşılık gelen dönüştürme modüllerini içerir Donanım tasarımı blok diyagramı Şekil 3'te gösterilmiştir.
2.2.1 Su sıcaklık sensörü modülü
Bu sistemin balık tankı su kütlesinin sıcaklığını ölçmesi ve sıcaklığı ölçmek için doğrudan balık tankı su gövdesine derinlemesine gitmesi gerekir, bu nedenle su geçirmez DS18B20 dijital sıcaklık sensörü probu kullanılır. CC2530 dijital I / O portu ile bağlantı elde etmek için yukarı çekme direncini artırmak için sensör adaptörü aracılığıyla. DS18B20'nin iç yapı blok diyagramı Şekil 4'teki gibi gösterilmiştir.
Şekil 4'te gösterildiği gibi, DS18B20 bir sıcaklık sensörü, bir sıcaklık alarmı tetikleyicisi, bir kayıt ve bir 64-bit ROM içerir 3 pin içerir: DQ, GND ve VDD. Bunların arasında, DQ dijital giriş / çıkış terminalidir, GND güç topraklamasıdır ve VDD harici güç giriş terminalidir.
DS18B20 dijital sıcaklık sensörü, tek kablolu bir arayüze sahiptir ve DQ ucu, sıcaklık veri okumasını gerçekleştirmek için bir adaptör aracılığıyla doğrudan CC2530'un dijital I / O portuna bağlanır. Aynı zamanda, ROM'u, aynı veri yolunda dağıtılmış sıcaklık ölçümünü gerçekleştirebilen benzersiz ve benzersiz bir 64-bit seri numarasına sahiptir, yani balık tankı büyük olduğunda, çok noktalı sıcaklık ölçümü elde etmek için birden çok konumda yapılandırılabilir. Güç kaynağı aralığı 3,0 V ila 5,5 V arasındadır, bu nedenle doğrudan veri hattı üzerinden çalıştırılabilir. Sıcaklık ölçüm aralığı -55 ~ + 125 'dir, çünkü balıklar genellikle 0 ~ 35 sıcaklık aralığını taşıyabilir, balık tankı su sıcaklığının ölçümü için uygundur. Ek olarak, DS18B20, 750 ms maksimum ölçüm gecikmesine, -10 ila +85 aralığında ± 0,5 ° C ölçüm doğruluğuna ve 9 ila 12 basamaklı ayarlanabilir çözünürlüğe sahiptir. Kısa zaman gecikmesi ve yüksek doğruluğuna göre DS18B20, gerçek zamanlı sıcaklık ölçümü ve otomatik kontrol sistemi için uygundur.
2.2.2 Su Bulanıklık Sensörü
Balık tankı suyunun bulanıklığını ölçmek için sistem, gerçek zamanlı izleme için bir su bulanıklık sensörü kullanır. Su bulanıklık sensörü optik prensibi benimser.Su kütlesindeki asılı partiküllerin etkisinden dolayı, ışık meydana geldiğinde saçılma meydana gelir. Bu nedenle, suyun ışık geçirgenliği ve saçılma oranının ölçülmesinin sonuçlarına dayanarak, suyun askıda kalan partikül içeriği, yani su bulanıklığı hesaplanabilir. Su bulanıklık sensörünün şematik diyagramı Şekil 5'te gösterilmektedir.
Sensörün içi esas olarak kızılötesi çift tüp, iletilen ışık fotoseli ve dağınık ışık fotoseli içerir. Işık su kütlesinden geçtiğinde, bir kısmı emilir ve dağılır, saçılan ışık saçılan fotosel tarafından, iletilen ışığın diğer kısmı da iletilen fotosel tarafından alınır. Su kütlesinin bulanıklığı daha yüksek olduğunda ve suyun ışık geçirgenliği daha kötü olduğunda, ölçülen akım daha küçüktür ve dirençle 0 V 5 V'a dönüştürülen voltaj buna göre daha küçüktür.
Su bulanıklık birimi NTU, 1NTU = 1 mg / L asılı partiküllerdir. Ölçüm, bulanıklığın 1000 NTU'da yaklaşık% 35,5 olduğunu ve 3000 NTU'da bulanıklığın yaklaşık% 67,2 olduğunu göstermektedir. Bu nedenle su bulanıklığı 1.000 NTU'dan az olduğunda düşük bulanıklık, 1.000 NTU ila 3.000 NTU arasında orta bulanıklık ve 3.000 NTU'dan fazla olduğunda yüksek bulanıklıktır.
Sensör modülü, bir su bulanıklık sensörü probu ve bir AD çıkış seçim modülünden oluşur Analog çıkış 0 V ila 4,5 V voltajdır ve dijital çıkış, yüksek ve düşük seviyeli bir sinyaldir. Bu sistem, analog çıkışı seçer ve daha sonra analogdan dijitale dönüştürme modülü aracılığıyla işler ve su bulanıklığının gerçek zamanlı ölçümünü elde etmek için CC2530'un dijital I / O portuna bağlanır.
2.2.3 Su seviyesi sensörü
Bu sistemin su seviye sensörü, balık tankındaki su kütlesinin yüksekliğinin kullanıcının su seviyesi yükseklik ihtiyacını karşılayıp karşılamadığını ölçmek için kullanılır. Balık tankındaki su seviyesi çok az değiştiği için su seviyesi bilgisini gerçek zamanlı olarak göstermeye gerek yoktur.Sadece su seviyesini otomatik olarak belirlemesi yeterlidir.Su seviyesi temel ihtiyaçtan düşük olduğunda kullanıcıya balık tankı su hacmini eklemesi hatırlatılır. Bu sistemde kullanılan su seviye sensörü Şekil 6'da gösterilmektedir.
Su seviyesi sensörü, dokunulan su miktarını ölçmek için yüzeydeki paralel telleri kullanır, böylece su seviyesini değerlendirir ve su miktarının analog miktara dönüşümünü gerçekleştirmek için analog bir miktar çıkarır. Analog çıkış ne kadar büyükse, su seviyesi o kadar yüksek olur. Son olarak, CC2530 I / O portunun okunmasını kolaylaştırmak için, analog miktarı dijital çıkışa dönüştürmek için bir analogdan dijitale dönüştürme modülüne ihtiyaç vardır.
2.2.4 Analogdan dijitale dönüştürme modülü
Bu sistemin ZigBee modülü, CC2530'un dijital I / O portunu içerdiğinden, sensör modülü analog miktarlar çıktığında (su bulanıklık sensörü ve su seviyesi sensörü gibi), CC2530'dan doğrudan geçmeden önce analogdan dijitale A / D dönüşümüyle örneklenmesi gerekir. Toplanan verileri okumak için dijital I / O portu. Bu sistem, YL-40 AD dönüştürme modülünü benimser, şematik diyagramı Şekil 7'de gösterildiği gibidir.
Bu modül esas olarak PCF8591 dijital analog / analogdan dijitale dönüştürme çipini kullanır. Çip, 4 analog giriş terminaline, 1 analog çıkış terminaline ve 1 seri I2C veriyolu arayüzüne sahiptir, böylece eşzamanlı A / D dönüşümü için 4 analog çıkış sensörünü gerçekleştirebilir. Bu nedenle, bu sistemin yalnızca su bulanıklık sensörünü ve su seviyesi sensörünü bir YL-40 AD dönüştürme modülüne bağlaması gerekir. YL-40 AD dönüştürme modülündeki PCF8591 yongasının üç adres pininin tamamı topraklanmış olduğundan, bu modüldeki PCF8591 yongasının donanım adresi 0X90'da sabitlenmiştir. Ek olarak, çıkış veri sinyali CC2530 dijital I / O portu ile I2C seri veriyolu üzerinden iletildiğinden, okuma ve yazma verileri I2C veri yolu protokolünü takip etmelidir.
2.2.5 Dijital ışık yoğunluğu sensörü modülü
Bu modül esas olarak BH1750 dijital ışık yoğunluğu sensörünü içerir ve çipin iç yapı blok şeması Şekil 8'de gösterilmektedir. Çipin içindeki fotodiyot insan gözünün tepkisine yakındır, bu nedenle genellikle ortam aydınlatmasının otomatik kontrol sisteminde kullanılır ve algılanabilir ışık yoğunluğu aralığı 0 ~ 65535 lx'tir. Bunların arasında, işlemsel amplifikatör fotodiyot akımını bir voltaja dönüştürür ve daha sonra dahili AD dönüştürücü aracılığıyla 16 bitlik veri çıkışı sağlar ve I2C veriyolu arabirimi aracılığıyla veri iletimini gerçekleştirir. Bu nedenle, BH1750 ışık yoğunluğu verilerinin okunması I2C veri yolu protokolünü takip etmelidir.
3 Sistem yönetimi yazılım tasarımı
3.1 Sistem işletim ortamı
Kullanıcı arka uç yönetim sistemi, Windows sistemi altında Apache web sunucusu, Mysql ilişkisel veritabanı ve PHP komut dosyası dilinin entegre bir geliştirme ortamı olan WAMP entegre geliştirme ortamını benimser.
Bu sistemin geliştirilmesi, model katmanı (Model), görünüm katmanı (Görünüm) ve denetleyici katmanı (Denetleyici) gibi çok katmanlı bir MVC yapısına dayanan açık kaynaklı bir geliştirme çerçevesi olan ThinkPHP3.2 çerçevesini kullanır. Model katmanı, veri, iş ve hizmetleri ve diğer ilgili arayüzleri depolamak için kullanılır; bu, veritabanının çalışmasına eşdeğerdir; görünüm katmanı esas olarak şablonları ve şablon motorlarını, yani web sayfasının düzenini ve çerçevesini içerir; denetleyici katmanı, kullanıcı işlemlerine yanıt vermek için kullanılır ve kullanıcılardan sorumludur Etkileşim ve olay işleme. ThinkPHP çerçevesi, yapıyı hiyerarşik hale getirir; bu, yalnızca kullanıcının çalışmasını ve web sayfası yapısını netleştirmekle kalmaz, aynı zamanda web geliştirme çalışmasını da basitleştirir.
3.2 Sistemin her parçasının yapısal tasarımı
Ekolojik balık tankı çevre yönetim sistemi temel olarak dört bölümden oluşur: kullanıcı bilgisi yönetimi, ekipman bilgi yönetimi, toplanan veri görüntüleme ve kontrol parametresi ayarı Genel yapı şeması Şekil 9'da gösterilmektedir.
Kullanıcı bilgileri yönetimi bölümü oturum açma, kayıt ve bilgi değiştirme gibi işlevleri içerir; ekipman bilgi yönetimi bölümü balık tankı, toplama birimi ve kontrol birimini içerir 3
Bir tür kullanıcı ekipman bilgisi; toplanan veri görüntüleme bölümü üç bölümden oluşur: su sıcaklığı değeri, su bulanıklığı ve ışık değeri; kontrol parametresi ayarlama bölümü üç bölümden oluşur: su sıcaklığı ayarı, bulanıklık ayarı ve ışık ayarı. Ekolojik balık tankı sisteminin çalışma şeması Şekil 10'da gösterilmektedir.
4. Sonuç
Bu makale, ZigBee teknolojisine dayalı akıllı bir ekolojik balık tankı sistemi tasarım şeması önermek için Nesnelerin İnterneti'nin "uç boru bulutu" temel fikrini kullanır, eksiksiz ve ölçeklenebilir bir ekolojik balık tankı izleme sistemi gerçekleştirir ve sistemdeki her bir alt modülün donanım ve yazılımını verir. Daha detaylı bir tasarım şeması ile sistem devreye alınmış ve istikrarlı bir şekilde çalışmaktadır.
Bu sistemde kullanılan ZigBee teknolojisi, kullanıcılar için kablosuz veri toplama gerçekleştirmek üzere Nesnelerin İnterneti için kablosuz veri terminali olarak kullanılabilir.İyi ölçeklenebilirliğe ve taşınabilirliğe sahiptir ve çeşitli güvenlik izleme sistemlerinin yapımı için önemli referans değerine sahiptir.
Referanslar
[1] Wang Cuiru, Yu Xiangbing, Wang Chengfu ZigBee teknolojisine dayalı sıcaklık toplama ve iletim sistemi J Enstrümantasyon Teknolojisi ve Sensörü, 2008 (7): 103-106.
2 Zhang Weicong, Yu Xinwu, Li Zhongcheng.CC2530 ve ZigBee protokol yığınına dayalı kablosuz ağ sensör düğümü tasarımı J. Bilgisayar Sistemleri ve Uygulamaları, 2011 (20): 184-187.
3 Texas Instruments Chipcon ürünleri, Texas Instruments CC2530 veri sayfası EB / OL. 2016-08-01. Http://www.ti.com.
4 WANG J, LIU T. Yangtze Nehri havzası su ortamı izlemede kablosuz sensör ağının uygulanması C. Kontrol ve Karar Konferansı, IEEE, 2015: 5981-5985.
