2021年 / 第10期 物联网技术
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 tt27.tv
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。 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。
2 系统总体设计方案
掘进机液压泵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
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
。
图1
智能鱼缸结构示意图
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
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）
摘 要：
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。
关键词：
鱼缸；树莓派；OpenCV ；Ubidots ；摄像头；水质环境中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：
2095-1302（2021）10-0089-02收稿日期：2021-02-06 修回日期：2021-03-11
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。
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
。
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
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）
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，2019，9（2）：5-6.
[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
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] N EWMAN 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] M ERKEL D. Docker： lightweight linux containers for consistentpwm转模拟电压
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] D EFRAWY 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] D ARWIN 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。
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。
去皮刀片参考文献
[1]K ESAVAN G，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.[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] B OLIV AR L E P，SILV A 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]U bidots.UbidotsAPI（v1.6）[EB/OL]. [2019-03-18].https：//
ubidots/docs/sw/#.
（上接第90页）365.bm990
