喻飛根鄧心陽(yáng)蔡紹碩可依

基于物聯(lián)網(wǎng)的園林景觀池水智能過濾系統(tǒng)研究

喻飛根1，2，鄧心陽(yáng)1，2，蔡紹碩2，可依2

（1.中南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢市金葉云景觀科技有限公司，湖北 武漢 430074）

景觀水池在現(xiàn)代園林景觀中是普遍存在的，但由于景觀池水很容易出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化問題，極大地影響景觀水池的觀賞性。為解決水池水質(zhì)問題，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的景觀池水智能過濾系統(tǒng)。此系統(tǒng)結(jié)合了華為云、APP控制模塊、傳感器體系、繼電器模塊及搭載Wi-Fi通訊模塊的STM32系列單片機(jī)最小系統(tǒng)等軟硬件技術(shù)平臺(tái)，系統(tǒng)可自動(dòng)根據(jù)水濁度傳感器的數(shù)據(jù)選擇不同的過濾器工作模式。

景觀水池；智能過濾；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；水濁度傳感器

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)的綠化建設(shè)，許多地方大力推進(jìn)城市綠化美化工程?，F(xiàn)代景觀水池在現(xiàn)代園林景觀中是普遍存在的，但由于景觀池水在提供觀賞性的同時(shí)也為藻類及植物提供穩(wěn)定的水環(huán)境促其生長(zhǎng)，池水很容易出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化問題。為了解決這一問題，人們采取過許多措施，例如種植水草、養(yǎng)魚、投藥等，但往往會(huì)產(chǎn)生新的環(huán)境污染，效果不如人意。

1 池水智能過濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為三層，分別為感知層、傳輸層和應(yīng)用層。感知層的水濁度傳感器用于檢測(cè)水池的水質(zhì)數(shù)據(jù)；傳輸層可以將整體的水池水質(zhì)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到華為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；應(yīng)用層主要是通過華為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行智能處理與分析，同時(shí)將水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給用戶APP端。在控制模式中，系統(tǒng)可根據(jù)水濁度傳感器、氧氣傳感器等測(cè)量數(shù)設(shè)定值比對(duì)，自動(dòng)控制選擇過濾器的工作模式。同時(shí)在用戶端，用戶可以在手機(jī)端下載專屬APP來控制過濾器的開關(guān)及休眠/工作時(shí)長(zhǎng)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 池水智能過濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 池水智能過濾系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 景觀池水過濾器實(shí)現(xiàn)

一體化過濾器是集物理過濾、生化過濾、除藻、循環(huán)、增氧為一體的過濾器，該過濾器自身含有抽水泵、多模式過濾系統(tǒng)、排水口、排污口等部件。該過濾器使用了較為簡(jiǎn)單的電路控制，通過按鍵即可使其工作，并沒有用到單片機(jī)進(jìn)行控制，更無法連接網(wǎng)絡(luò)。因此，將過濾器的各不同模式的工作電路連接繼電器模塊上，然后利用搭載了Wi-Fi通訊模塊的STM32系列單片機(jī)最小系統(tǒng)控制繼電器模塊，以此通過STM32系列單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)通過判斷水濁度傳感器的數(shù)值自動(dòng)命令STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)開啟對(duì)應(yīng)水質(zhì)情況下的過濾器工作模式，以此實(shí)現(xiàn)過濾器的各個(gè)功能，做到物盡其用。在不同水質(zhì)情況下過濾器工作模式各不相同：當(dāng)水質(zhì)情況優(yōu)良時(shí)，工作模式開啟水循環(huán)、增氧；當(dāng)水質(zhì)輕度污染，工作模式開啟水循環(huán)、物理過濾；當(dāng)水質(zhì)中度污染，工作模式開啟水循環(huán)、物理過濾、除藻；當(dāng)水質(zhì)重度污染，工作模式開啟水循環(huán)、生化過濾、除藻。

2.2 硬件控制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的硬件電路系統(tǒng)。本系統(tǒng)硬件包括STM32系列單片機(jī)最小系統(tǒng)、Wi-Fi通訊模塊、繼電器模塊、一體化過濾器、水濁度傳感器、氧氣傳感器和電源模塊。其中，STM32系列單片機(jī)最小系統(tǒng)是硬件系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)控制過濾器的工作模式、與Wi-Fi模塊連接可將傳感器的數(shù)據(jù)上傳到華為云端以及接受APP的指令進(jìn)行相關(guān)的操作；繼電器模塊設(shè)置為常開模式，分為四路由STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)控制四路繼電器的通斷，一體化過濾器與繼電器串聯(lián)，四路繼電器分別對(duì)應(yīng)多濾器的四種工作模式，以此可以實(shí)現(xiàn)STM32單片機(jī)對(duì)過濾器的控制；水濁度傳感器和氧氣傳感器用于檢測(cè)水池的水濁度以及水含氧量，以此數(shù)據(jù)來判斷水質(zhì)情況；電源模塊為整個(gè)硬件系統(tǒng)提供電源。硬件系統(tǒng)原理如圖2所示。

2.3 軟件控制（APP）

隨著智能手機(jī)的普及，人們更加依賴通過移動(dòng)手機(jī)就能完成更多的事情如支付、出行以及控制家電用具等。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款A(yù)PP用來控制園林景觀池水智能過濾系統(tǒng)，本系統(tǒng)控制終端APP能夠從華為云服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取水池水質(zhì)數(shù)據(jù)以及向硬件系統(tǒng)控制端STM32單片機(jī)發(fā)送命令，以此實(shí)現(xiàn)客戶遠(yuǎn)程控制過濾系統(tǒng)。APP控制終端設(shè)備可通過通信接口與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)建立連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。APP控制終端程序在完成通信接口的連接后，可以接收由云平臺(tái)上傳的采集數(shù)據(jù)并向云平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)指令。園林景觀池水智能過濾系統(tǒng)的控制終端APP的主要功能如下：①用戶登錄、用戶注冊(cè)功能；②添加智能設(shè)備、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接以及發(fā)現(xiàn)新的設(shè)備；③展示池水水質(zhì)數(shù)據(jù)；④智能設(shè)備控制功能；⑤其他功能，如消息中心、設(shè)置和常見問題反饋功能。

圖2 硬件系統(tǒng)原理圖

本系統(tǒng)控制APP有三個(gè)主要界面：設(shè)備連網(wǎng)界面、智能過濾界面以及APP功能展示界面。利用Java的Android提供的UI界面設(shè)計(jì)庫(kù)進(jìn)行開發(fā)，提供了較多且全面的開發(fā)庫(kù)，極大地提高了開發(fā)效率。

2.4 系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)通過水濁度傳感器以及氧氣傳感器檢測(cè)水池水質(zhì)情況，形成電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送給STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)，STM32單片機(jī)依據(jù)水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)水質(zhì)信息進(jìn)行分析，判斷水質(zhì)情況，將其分為優(yōu)、輕度污染、中度污染以及重度污染四個(gè)級(jí)別，從而使STM32單片機(jī)打開對(duì)應(yīng)水質(zhì)情況的繼電器使過濾器進(jìn)入對(duì)應(yīng)水質(zhì)情況的工作模式。

同時(shí)搭載Wi-Fi模塊的STM32單片機(jī)可通過Internet將水質(zhì)數(shù)據(jù)傳送到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行保存、處理及計(jì)算，可實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶APP端進(jìn)行展示，客戶可在手機(jī)APP上通過實(shí)時(shí)的水質(zhì)情況來選擇是否關(guān)閉過濾器及設(shè)置過濾器的工作/休眠時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了客戶遠(yuǎn)程控制過濾器以及系統(tǒng)根據(jù)水質(zhì)情況自動(dòng)判斷開啟哪種工作模式。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的園林景觀池水智能過濾系統(tǒng)，通過結(jié)合華為云、APP控制、傳感器體系及搭載通訊模塊的STM32單片機(jī)等技術(shù)設(shè)備，能自動(dòng)根據(jù)水濁度傳感器的數(shù)據(jù)選擇不同的過濾器工作模式，以此滿足園林景觀池水過濾需求。本系統(tǒng)很好地解決了園林景觀池水智能過濾問題，實(shí)現(xiàn)了客戶可遠(yuǎn)程控制過濾器及實(shí)時(shí)查看水質(zhì)情況。本系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的園林景觀實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化有著非常重要的意義，在園林建設(shè)、小區(qū)景觀及城市綠化等有著廣闊的市場(chǎng)。

［1］陳偉雄.智能家居的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用研究［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（19）：164-165.

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X703

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.023

2095－6835（2021）01－0066－02

喻飛根（1999—），男，湖南岳陽(yáng)人，中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院2018級(jí)本科生在讀，武漢市金葉云景觀科技有限公司開發(fā)工程師，研究方向?yàn)橹悄苓吘売?jì)算。鄧心陽(yáng)（2000—），男，湖北武漢人，中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院2018級(jí)本科生在讀，武漢市金葉云景觀科技有限公司算法工程師，研究方向?yàn)橹悄芸茖W(xué)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。蔡紹碩（1994—），男，湖北武漢人，碩士，中南民族大學(xué)文學(xué)與新聞傳播學(xué)院2018級(jí)碩士生在讀，武漢市金葉云景觀科技有限公司總工程師，研究方向?yàn)閭髅缴鷳B(tài)與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)?？梢溃?998—），女，蒙古族，河南安陽(yáng)人，中南民族大學(xué)文學(xué)與新聞傳播學(xué)院2018級(jí)本科生在讀，武漢市金葉云景觀科技有限公司界面工程師，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品界面設(shè)計(jì)。

〔編輯：王霞〕