完全自動化智能水族箱系統設計

作者：時間：2025-11-24 來源：

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摘要

本項目構建了一個“全自動智能水族箱系統”。系統以 oneM2M/Mobius 作為核心 IoT 數據樞紐，通過 ESP32 負責環境數據采集與執行器控制，Raspberry Pi 執行魚類疾病檢測 AI 模型，Python 邏輯服務器進行規則判定與自動化，Android 應用提供用戶交互界面。

文中不僅說明系統設計，還在每個模塊中內嵌工程源碼，形成可復現和可落地的技術文檔。

1. 設計背景與目標

水族箱運行依賴多個外設（加熱器、補水泵、過濾器、照明等），但這些設備通常由不同電源、不同開關單獨管理；同時，水溫、水位、光照等關鍵環境信息也難以集中查看。

系統目標：

集中化供電與控制
自動化完成日常維護任務（加熱、換水、喂食等）
實時監測 + 遠程控制 + 手機告警
支持魚類疾病自動檢測（AI）

2. 系統架構總覽

整體架構如圖所示（文字化）：

模塊	角色	描述
ESP32（AE-Sensor & AE-Actuator）	采集與控制	上傳傳感器數據、接收控制命令并驅動繼電器
Raspberry Pi（AE-Rapi）	AI 判斷	捕捉圖像 → CNN → Mobius
Mobius CSE	IoT 數據交換	提供 AE/CNT/CIN 與訂閱機制
Python Logic Server（AE-Logic）	自動化邏輯	溫控、水位告警、自動喂食、FCM 推送
Android App（AE-App）	人機交互	實時監控、水泵/喂食/LED控制

3. 傳感器數據采集與上傳（ESP32：AE-Sensor）

ESP32 定時讀取溫度、光照、水位等傳感器，并向 Mobius 的容器（CNT）寫入內容實例（CIN）。

3.1 上傳 CIN 的核心代碼（集成于敘述中）

Mobius 的數據格式要求如下：

{
  "m2m:cin": {
    "con": { "value": 26.5 }
  }
}

傳感器節點的上傳邏輯如下：

#include <WiFi.h>
#include <HTTPClient.h>

// Wi-Fi 與 Mobius 基本信息
const char* WIFI_SSID     = "YOUR_SSID";
const char* WIFI_PASSWORD = "YOUR_PASS";
const char* MOBIUS_HOST   = "https://your-nginx-domain.com";
const char* CSE_BASE      = "/Mobius";
const char* AE_SENSOR     = "AE-Sensor";

const char* ORIGIN        = "S-Sensor";   // 由 ACP 控制
const char* CONTENT_TYPE  = "application/json; ty=4";

// 傳感器模擬
float readTemperature() { return 26.5; }
float readLight()       { return 500.0; }

String buildCinPayload(float value) {
    return "{"m2m:cin":{"con":{"value":" + String(value,2) + "}}}";
}

bool postSensorData(const char* cnt, float v) {
    String url = String(MOBIUS_HOST) + CSE_BASE + "/" + AE_SENSOR + "/" + cnt;
    HTTPClient http;
    http.begin(url);
    http.addHeader("X-M2M-Origin", ORIGIN);
    http.addHeader("X-M2M-RI", "req-" + String(millis()));
    http.addHeader("Content-Type", CONTENT_TYPE);

    int code = http.POST(buildCinPayload(v));
    Serial.printf("[Sensor] POST %s -> %dn", cnt, code);
    http.end();
    return code >= 200 && code < 300;
}

void loop() {
    postSensorData("temp",  readTemperature());
    postSensorData("light", readLight());
    delay(10000); // 每10秒上傳一次
}

4. 執行器控制（ESP32：AE-Actuator）

ESP32 作為執行器節點，會輪詢 Mobius 的控制容器：

/AE-Actuator/heater
/AE-Actuator/feed
/AE-Actuator/LED

并根據 CIN 的內容驅動繼電器。

4.1 執行器輪詢邏輯（與文章混排）

#include <WiFi.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <ArduinoJson.h>

const char* AE_ACTUATOR = "AE-Actuator";
const int PIN_HEATER = 4, PIN_LED = 5, PIN_FEED = 18;

String getLatestCin(const char* cnt) {
    String url = String(MOBIUS_HOST) + CSE_BASE + "/" + AE_ACTUATOR + "/" + cnt + "/la";
    HTTPClient http;
    http.begin(url);
    http.addHeader("X-M2M-Origin", "S-Actuator");
    http.addHeader("X-M2M-RI", "ri-" + String(millis()));
    int code = http.GET();
    String payload = code==200 ? http.getString() : "";
    http.end();
    return payload;
}

void handleCommand(const char* cnt, const String& json) {
    StaticJsonDocument<512> doc;
    if (deserializeJson(doc, json)) return;

    JsonVariant con = doc["m2m:cin"]["con"];
    String cmd = con["heater"] | con["LED"] | con["feed"] | "";
    bool on = (cmd == "on");

    if(strcmp(cnt,"heater")==0) digitalWrite(PIN_HEATER,on);
    if(strcmp(cnt,"LED")==0)    digitalWrite(PIN_LED,on);
    if(strcmp(cnt,"feed")==0)   digitalWrite(PIN_FEED,on);
}

5. oneM2M 邏輯服務器（AE-Logic）

邏輯服務器負責：

Mobius 訂閱管理
處理通知（傳感器變化）
根據閾值控制加熱器/LED
低水位推送告警
自動喂食調度
AI 結果處理

5.1 創建訂閱（嵌入說明段落中）

def create_subscription(target, nu="https://your-server/notification"):
    url = MOBIUS_BASE + target
    sub = {
        "m2m:sub": {
            "rn": "sub-logic",
            "nu": [nu],
            "nct": 1,
            "enc": {"net": [3]}
        }
    }
    headers = {
        "X-M2M-Origin": ORIGIN,
        "X-M2M-RI": "ri-" + str(uuid.uuid4()),
        "Content-Type": "application/json; ty=23"
    }
    return requests.post(url, headers=headers, data=json.dumps(sub))

5.2 通知接收 + 處理 worker

@app.route("/notification", methods=["POST"])
def notification():
    notif = request.get_json() or {}
    threading.Thread(
        target=process_notification_worker,
        args=(notif,)
    ).start()
    return "", 200

其中 Worker 解析 CIN：

def process_notification_worker(n):
    cin = n["m2m:sgn"]["nev"]["rep"]["m2m:cin"]
    con = cin["con"]              # 例如 { "value": 26.3 }
    sur = n["m2m:sgn"]["sur"]     # 訂閱路徑

    if "temp" in sur: handle_temp(con["value"])
    if "wlevel" in sur: handle_wlevel(con["value"])
    if "fish-health" in sur: handle_fish_health(con)

5.3 溫度控制邏輯

def handle_temp(temp):
    t_thresh = g_state["temp-threshold"]

    if temp < t_thresh - 0.5:
        send_mobius_command("heater", {"heater":"on"})
    elif temp > t_thresh + 0.5:
        send_mobius_command("heater", {"heater":"off"})

5.4 自動喂食調度

def scheduler_thread_fn():
    while True:
        t = time.localtime()
        if t.tm_min == 0 and t.tm_hour in g_state["feeding_times"]:
            send_mobius_command("feed", {"feed":"on"})
            time.sleep(1)
            send_mobius_command("feed", {"feed":"off"})
        time.sleep(60)

6. AI：Betta 魚疾病檢測模型（Raspberry Pi）

采用輕量級殘差網絡：

class BettaResNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3,64,7,2,3)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(64)
        self.pool = nn.MaxPool2d(3,2,1)

        self.layer1 = self._block(64,64)
        self.layer2 = self._block(64,128,stride=2)
        self.layer3 = self._block(128,256,stride=2)
        self.layer4 = self._block(256,512,stride=2)

        self.fc = nn.Linear(512,3)

    def forward(self,x):
        x = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))
        x = self.pool(x)
        x = self.layer1(x)
        x = self.layer2(x)
        x = self.layer3(x)
        x = self.layer4(x)
        x = torch.flatten(F.adaptive_avg_pool2d(x,1),1)
        return self.fc(x)

推理結果寫回 Mobius：

payload = {
    "m2m:cin": {
        "con": {"class":"White Spot","score":0.92}
    }
}

7. Android App（AE-App）與 Mobius 通信

應用采用 Retrofit2 訪問 Mobius，通過 REST API 拉取數據和下發命令。

7.1 Retrofit 接口（嵌入敘述中）

interface MobiusApi {
    @GET("Mobius/AE-Sensor/temp/la")
    suspend fun getLatestTemp(): Response<MobiusCinWrapper>

    @POST("Mobius/AE-Actuator/pump")
    suspend fun sendPumpCmd(
        @Body body: MobiusCinWrapper
    ): Response<Unit>
}

7.2 控制命令發送

suspend fun pumpOn(api: MobiusApi) {
    val body = MobiusCinWrapper(
        MobiusCin(con = CinContent(value = null))
    )
    api.sendPumpCmd(body)
}

7.3 FCM 告警接收

class AquariumFcmService : FirebaseMessagingService() {
    override fun onMessageReceived(msg: RemoteMessage) {
        showNotification(msg.notification?.title, msg.notification?.body)
    }
}