admin管理员组文章数量:1531441
2024年6月19日发(作者：)
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
DOI
：
10.16667/.2095-1302.2021.10.027
基于物联网的智能鱼缸系统
徐昊明，王云龙，杨 俊，陈凯杰
（
南京工程学院 机械工程学院
，
江苏 南京 211167
）
传统鱼缸作为鱼类饲养的载体
，
常因无法实时监控水质环境
，
给用户的饲养带来了极大的困难
。
用户
摘 要：
也无法远程对鱼缸内部的情况进行监视
，
不能及时的获取鱼类的活动状态
。
因此
，
文中设计一种基于物联网的智能
鱼缸系统
。
该智能鱼缸系统以Arduino MEGA作为主控器
，
利用多个传感器模块对水质状态进行检测
；
同时通过摄
像头模块采集鱼类运动图像
，
在树莓派上运行OpenCV对鱼类的运动状态进行分析
，
并将水质指标和运动状态上传
到Ubidots物联网平台
，
用户可以通过手机APP实时查看以上数据指标
。
实验结果表明
，
相比于传统鱼缸
，
所提鱼
缸能够及时地将水质信息和鱼类状态反馈给用户
，
方便用户对鱼缸环境进行查看和调整
。
鱼缸
；
树莓派
；
OpenCV
；
Ubidots
；
摄像头
；
水质环境
关键词：
TP393 A 2095-1302
（
2021
）
10-0089-02
中图分类号：文献标识码：文章编号：
0 引 言
随着社会经济发展
，
人们对美好生活的需要日益增加
，
使得水族宠物行业蓬勃发展
。
据
《
2019中国宠物消费趋势报
告
》
显示
，
2020年中国的宠物行业市场规模将达到2 200亿元
。
其中水族宠物行业主导线上活体消费市场
，
鱼缸/水族箱及配
套设备与用品消费提速
。
报告指出
，
普通的水族箱已经不能
满足市场需要
，
养宠精细化
、
智能化
、
多元化的趋势日渐明显
。
本文设计了基于物联网的智能鱼缸系统
，
选用Arduino
MEGA作为主控板
，
将传感器收集到的数据通过串口发送
给树莓派
。
摄像头模块将数据流发送给树莓派
，
通过基于
OpenCV的算法进行处理
，
得出鱼类的运动状态
。
联网后的
树莓派将水质数据和鱼类的运动状态发送到Ubitdots物联网
平台
[1-4]
，
用户可在PC端和移动端查看平台上的数据
，
大大
提升了检测的便捷性
。
标时
[5]
，
Arduino MEGA控制电磁阀或氧气泵的开关打开
，
直到达到规定指标
。
系统架构如图2所示
。
1 系统结构
本文设计的智能鱼缸结构示意图如图1所示
。
其中
：
图1
（
a
）
为鱼缸整体结构
；
图1
（
b
）
为剖视图
。
图1 智能鱼缸结构示意图
2 系统总体设计方案
该智能鱼缸系统以树莓派3B+作为主控核心
，
通过多
种传感器对水质指标和鱼缸图像进行采集
，
采集到的数据由
树莓派实时上传到Ubidots平台
。
用户可通过固定在鱼缸上
的显示屏
、
手机APP或浏览器查看鱼缸情况
。
由于树莓派
GPIO口被显示屏占用
，
故由Arduino MEGA作为下位机收
集来自传感器的数据
。
当溶解氧指标或水位指标低于规定指
收稿日期
：
修回日期
：
2021-02-06 2021-03-11
图2 系统架构
3 硬件模块
3.1 树莓派
树莓派是一种基于Linux系统的卡片式电脑
。
树莓派
2021
年
/
第
10
期
物联网技术
89
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
3B+的64位四核 ARM Cortex-A53 CPU能够以高达1.4 GHz
的频率运行
，
它拥有40个GPIO引脚以及多种其他类型的接
口
，
便于进行开发和部署
。
该鱼缸系统中树莓派可以对摄像
头的图像进行视觉处理
，
并与Arduino MEGA
，
Ubidots物联
网平台进行通信
。
3.2 Arduino MEGA
Arduino MEGA是一个基于ATmega2560微控制器的开
发板
。
它具有54个数字输入/输出引脚
，
16个模拟输入
，
4个串行端口
，
16 MHz晶体振荡器
。
Arduino MEGA采用类
C++语言开发
，
用户可在专用的Arduino IDE上编写程序
。
本项目中利用Arduino丰富的引脚来获得传感器数据
，
还通
过Arduino控制电磁阀和增氧泵的开关
。
3.3 水质传感器模块
水质传感器模块包括水位传感器
、
溶解氧传感器
、
浑浊
度传感器
、
pH传感器和温度传感器
，
分别对鱼缸内的水位
、
溶解氧浓度
、
浑浊度
、
pH值和水温进行监测
。
3.4 摄像头模块
摄像头模块选用1 080P免驱摄像头
，
可以通过USB接
口直接与树莓派连接
。
摄像头模块采集鱼缸内的图像并上传
给树莓派
，
并分析出鱼缸内处于运动状态的鱼的数量
，
从而
提醒用户关注鱼的健康状态
。
3.5 显示模块
显示模块采用配套的3.5英寸树莓派显示屏
，
其成本相
对较低
，
且体积较小
。
该显示屏可以方便地插在树莓派的
GPIO口上
，
由GPIO口供电和实现触摸功能
，
方便用户直
接观测水质数据和鱼的运动情况
。
支持HTTP和HTTPS两种网络协议
，
通过REST API将树莓
派连接到Ubitdots的云平台
[12]
。
整个物联网系统启动后
，
树
莓派
、
Arduino及各传感器模块初始化
，
传感器模块数据由
Arduino经USB串口发送给树莓派
。
在联网状态下树莓派内
存储的鱼缸数据信息即可实时与云平台共享
。
图5为鱼缸内
温度的实时变化曲线
。
图3 视觉处理过程
（
a
）（
b
）
图4 实际检测效果图
4 系统软件设计
4.1 利用OpenCV识别统计运动的鱼
本智能鱼缸采用背景减法
[6-9]
识别鱼缸内运动的鱼
，
并
对其数量进行统计
。
如图3所示
，
该程序先从读取的监控图
像中提取背景模型
，
再通过背景减法的算法将视频流中的图
像与背景模型做差分
。
通过对差分所得的图像进行二值化处
理
，
再对其进行滤波
、
膨胀等形态学处理
，
即可得到如图4
（
a
）
所示的图像
。
如图4
（
b
）
所示
，
通过边缘检测可以绘制出运
动中的鱼的轮廓
[10]
，
并统计出鱼的数量
。
4.2 树莓派与Ubidots平台的联网
Ubidots是一个全球性的IoT平台
，
它支持各类智能硬
件的接入
，
大大降低了物联网系统的开发成本
。
开发者可以
方便地在上面建立属于自己的数据库
，
设计开发可视化的
应用界面
，
并通过网页
、
手机APP等平台查看物联网系统
的各项数据信息
[11]
。
开发者只需在官网上注册账号即可在
Ubidots平台上创建项目
，
并获得对应的密钥
。
Ubidots平台
90
物联网技术
2021
年
/
第
10
期
图5 平台效果图（手机APP）
4.3 系统测试
本系统在室内完成软硬件搭建和软件调试
，
并进行了测
试
。
试验结果显示
：
显示屏
、
浏览器和手机APP均可显示实
时数据
，
显示界面美观
，
传感器数据更新及时且准确
（
见图5
）；
摄像头及视觉处理算法运行效果好
，
控制板运行稳定
；
当溶
解氧浓度和水位低于设定值时
，
增氧泵和电磁阀会自动打开
，
达到设定值后自动关闭
。
5 结 语
本文利用树莓派开发板
、
Arduino MEGA
、
Ubidots平台
（
下转第96页
）
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
和处理能力
。
3 结 语
北京首都国际机场物联网平台实现了对机场已建物联网
设备的集中统一管理
，
加强了机场对机场运营数据
、
信息资
源的统一管理和应用
，
可满足北京首都国际机场对数据进行
深层次的挖掘和
“
加工
”
需求
。
通过使用物联网平台
，
解决
了机场各部门信息系统之间数据孤岛问题
，
为促进北京首都
国际机场管理水平的提升
、
减少员工的工作量发挥了很好的
作用
。
注
：
本文通讯作者为张立斌
。
参考文献
[1]陆二佳.民航局发布
《
2018年民航机场生产统计公报
》
[N].中国
民航报
，
2019-03-07.
[2]邹力.物联网与智能交通[M].北京
：
电子工业出版社
，
2012.
[3]孙涛.智慧机场建设现状与发展前景预测[J].区域治理
，
2019
，
11
（
35
）：
156-158.
[4]张冬杨.2019年物联网发展趋势[J].物联网技术
，
2019
，
95-6.
（
2
）：
[5]高宇峰.智慧机场信息系统规划设计的要点与分析[J].民航管理
，
2018
，
33
（
10
）：
54-57.
[6]张玄弋.物联网在首都机场的应用与展望[J].综合运输
，
2015
，
37
（
11
）：
100-105.
[7]段军雨
，
侯俊丞.面向物联网的无线传感器网络综述研究[J].物
联网技术
，
2019
，
9
（
4
）：
61-62.
[8]丁峰.物联网技术在机场设备设施中的应用研究[J].现代交通技
术
，
2017
，
14
（
3
）：
111-114.
[9]张彦
，
陈琳.物联网技术在机场的应用研究[J].电子技术与软件
工程
，
2013
，
20
（
21
）：
31.
[10]李想
，
李思涛.基于物联网技术的智慧机场定位应用[J].智能建
筑
，
2018
，
22
（
7
）：
43-45.
[11]吴振宇.基于Web的物联网应用体系架构和关键技术研究[D].
北京
：
北京邮电大学
，
2013.
[12]魏强
，
金芝
，
李戈
，
等.物联网服务发现初探
：
传统SOA的可
行性和局限性[J].计算机科学与探索
，
2013
，
7
（
2
）：
97-113.
[13] NEWMAN Sam. Build Microservices[M]. State of California
：
O'Reilly Media
，
Inc.
，
2015.
[14]蒋勇.基于微服务架构的基础设施设计[J].软件
，
2016
，
37
（
5
）：
93-97.
[15]杨保华
，
戴王剑. Docker技术入门与实战[M]
．
北京
：
机械工
业出版社
，
2015.
[16] MERKEL D. Docker
：
lightweight linux containers for consistent
development and deployment [J]. Linux Journal
，
2014
（
239
）：
2.
[17]王合.物联网安全体系和关键技术探索[J].数字通信世界
，
2019
，
15
（
2
）：
108.
[18]王雅哲
，
张城毅
，
霍冬冬
，
等.IoT智能设备安全威胁及防护技
术综述[J].信息安全学报
，
2018
，
3
（
1
）：
48-67.
[19]李柏松
，
常安琪
，
张家兴.物联网僵尸网络严重威胁网络基础
设施安全
：
对Dyn公司遭僵尸网络攻击的分析[J].信息安全研
究
，
2016
，
2
（
11
）：
1042-1048.
[20] DEFRAWY K E
，
FRANCILLON A
，
PERITO D
，
et al. SMART
：
secure and minimal architecture for
（
establishing a dynamic
）
root
of trust [J]. Ndss
，
2012
（
12
）：
1-15.
[21] DARWIN P. AngularJS Web Application Development[M].
Birmingham
：
Packt Publishing
，
2013.
作者简介
：
张玄弋
（
1984
—），
男
，
四川人
，
硕士研究生
，
主要研究方向为物联网
、
地理信息系统
。
张立斌
（
1975
—），
男
，
北京人
，
硕士研究生
，
主要研究方向为智慧机场发展
。
（
上接第90页
）
构建了智能鱼缸系统
，
并开发了基于OpenCV的鱼类运动检
测算法
。
该系统可通过传感器获得实时水质数据并由显示器
或物联网平台反馈给用户
。
当水质不合格时亦可通过电磁阀
和增氧泵等设备进行精确调节
，
克服了传统鱼缸缺乏反馈环
节和调节环节的缺陷
。
该智能鱼缸系统的功能全面
、
成本低
廉
、
操作简便
，
易于推广应用
，
可创造较大市场价值
。
参考文献
[5]李云龙
，
谢新宇
，
张海涛
，
等.淡水观赏鱼常见种类及养殖技术
[J].山东畜牧兽医
，
2017
，
38
（
10
）：
64-65.
[6]沈瑜
，
王新新.基于背景减法和帧间差分法的视频运动目标检测
方法[J].自动化与仪器仪表
，
2017
，
37
（
4
）：
122-124.
[7]王艳红. 基于OpenCV的运动目标检测与跟踪算法的研究[D].杭
州
；
杭州电子科技大学
，
2014.
[8]周同雪
，
朱明.视频图像中的运动目标检测[J].液晶与显示
，
2017
，
32
（
1
）：
40-47.
[9]屈晶晶
，
辛云宏.连续帧间差分与背景差分相融合的运动目标检
测方法[J].光子学报
，
2014
，
43
（
7
）：
219-226.
[10]度国旭.OPENCV轮廓识别研究与实践[J].装备制造技术
，
2020
（
1
）：
101-103.
[11] BOLIVAR L E P
，
SILVA G A D. Solar radiation monitoring using
electronic embedded system raspberry Pi database connection
MySQL
，
Ubidots and TCS-230 sensor[C]// 2015 CHILEAN
Conference on Electrical
，
Electronics Engineering
，
Information
and Communication Technologies
（
CHILECON
）
. [S.l.]
：
IEEE
，
2015
：
420.
[12]sAPI
（
v1.6
）
[EB/OL]. [2019-03-18].https
：
//
/docs/sw/#.
[1]KESAVANG
，
SANJEEVI P
，
VISWANATHAN P. A 24 hour IoT
framework for monitoring and managing home automation[C]// 2016
International conference on inventive computation technologies
（
ICICT
）
. Coimbatore
：
IEEE
，
2017
：
205-216.
[2]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[J].淮海工学院学报
（
自然科学版
），
2016
，
25
（
4
）：
1-4.
[3]支元
，
王登科.基于嵌入式系统智能鱼缸的设计与实现[J].电脑
知识与技术
，
2015
，
11
（
29
）：
155-156.
[4]何颖
，
唐幸洪
，
张法强
，
等.多功能智能鱼缸控制系统的研究与
设计[J].电子制作
，
2019
，
26
（
z1
）：
46-47.
96
物联网技术
2021
年
/
第
10
期
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
版权声明：本文标题：基于物联网的智能鱼缸系统 内容由热心网友自发贡献，该文观点仅代表作者本人， 转载请联系作者并注明出处：https://m.elefans.com/shuma/1718805290a727446.html， 本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容，一经查实，本站将立刻删除。
发表评论