基于物聯(lián)網(wǎng)的魚缸智能控制系統(tǒng)

張玉薇 李政 林和子 豪方敏 宋英路

摘要：針對(duì)市場(chǎng)上居家智能魚缸控制系統(tǒng)功能單一、自動(dòng)化程度低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款多功能家用魚缸，該魚缸可由控制和物聯(lián)網(wǎng)關(guān)兩個(gè)模塊組成。控制模塊以STM32F103為核心，圍繞平常的養(yǎng)殖魚的生活環(huán)境，對(duì)其設(shè)計(jì)合理的控制參數(shù)，在無(wú)人照料的情況下，讓魚獲得最理想的存活環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)模塊可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口（RJ45）與STM32F103之間的網(wǎng)絡(luò)通信，能夠?qū)?dāng)前魚缸中的控制參數(shù)傳送到用戶終端，使得用戶實(shí)時(shí)了解魚的情況。

關(guān)鍵詞：智能魚缸;STM32F103;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）04-0005-02

目前，市面上的智能魚缸控制系統(tǒng)[1-6]，大多只能檢測(cè)環(huán)境或者是控制部分家電的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并在顯示屏上顯示，而不能有效的進(jìn)行在線控制操作，監(jiān)控現(xiàn)有的魚缸內(nèi)的具體情況，且不能通過(guò)多種客戶端與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交流及顯示CPU的內(nèi)部信號(hào)情況。一旦主控制器內(nèi)部出現(xiàn)信號(hào)問(wèn)題或者外圍電路問(wèn)題等，將會(huì)面臨無(wú)法預(yù)知的情況，這將會(huì)致使魚的生長(zhǎng)受到影響。因此，一些電路簡(jiǎn)單，性能可靠和“自動(dòng)間歇”的控制系統(tǒng)也不斷出現(xiàn)。

相對(duì)于目前的水族行業(yè)市場(chǎng)的極大需求，多功能居家養(yǎng)殖魚缸的研究仍處于萌芽階段，用戶所需要的產(chǎn)品質(zhì)量也處于得不到滿足的階段。為此，我們升級(jí)現(xiàn)有的產(chǎn)品來(lái)滿足客戶的需求。并根據(jù)各種魚的生活習(xí)性來(lái)設(shè)計(jì)所需的參數(shù)，設(shè)計(jì)線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，節(jié)約資源，靈活性較強(qiáng)，性價(jià)比高的一款家用型魚缸。該魚缸具有溫度恒定、智能供氧、水位智能控制、間歇性照明和喂食等多功能于一體的魚缸智能控制系統(tǒng)。

1 總體方案與功能

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用到了微處理器和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，該系統(tǒng)主要有溫度恒定、智能供氧、水位智能控制、間歇性照明和喂食這幾個(gè)控制模塊組成，各個(gè)模塊之間與微處理器STM32F103相連接，另外通過(guò)RJ45網(wǎng)關(guān)的通信接口與控制核心STM32F103之間進(jìn)行通信，可在手持終端上控制魚缸各參數(shù)的變化的實(shí)現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)控制參數(shù)

通過(guò)魚的種類來(lái)對(duì)系統(tǒng)設(shè)定的魚最適宜的生存環(huán)境控制參數(shù)，并根據(jù)魚缸里的情況做出及時(shí)調(diào)整，智能魚缸參數(shù)控制說(shuō)明如表1所示。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制部分

控制部分由溫度恒定模塊、智能供氧模塊、水位智能控制模塊、間歇性照明模塊和喂食模塊組成。各模塊從魚缸中獲取數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32中，STM32將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后做出相應(yīng)處理。

本系統(tǒng)選用STM32F103C8T6微控制器，其主頻最高可達(dá)到72Mhz，支持外部擴(kuò)展FLASHD、SDRAM，支持各種操作系統(tǒng)[7-9]。

通過(guò)使用WQ101溫度傳感器檢測(cè)水溫并使用加熱模塊來(lái)對(duì)水體加熱，利用換水來(lái)進(jìn)行降溫。

自動(dòng)充氧與STM32的一個(gè)I/O口進(jìn)行連接[10]，利用微控制器的定時(shí)器來(lái)對(duì)繼電器的合所持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)決定充氧器的工作時(shí)長(zhǎng)。

當(dāng)水位低于水位設(shè)定值時(shí)，控制水位的繼電器吸合（外接水泵工作）開(kāi)始抽水使得水位到達(dá)設(shè)定值。當(dāng)水位高于水位設(shè)定值時(shí)，控制水位的繼電器斷開(kāi)（水泵停止工作），當(dāng)水位又一次降低于水位設(shè)定值以下時(shí)繼電器再一次吸合，重復(fù)上述動(dòng)作。這個(gè)功能使用在水位控制模塊中，這樣可以使得水位控制在水位設(shè)定值以上一點(diǎn)的位置。

通過(guò)光敏傳感器獲取當(dāng)前魚缸的光照強(qiáng)度傳輸?shù)轿⒖刂破?，再使用STM32的一個(gè)I/O口輸出脈沖，調(diào)節(jié)LED燈亮度。

STM32定時(shí)完成設(shè)定的輸出脈沖，電機(jī)得到脈沖后做出動(dòng)作，通過(guò)四線二線制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)魚食，運(yùn)輸食料并轉(zhuǎn)動(dòng)完成自動(dòng)喂食。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)部分

STM32F103沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)功能。采用DM9000網(wǎng)絡(luò)接口芯片為STM32F103提供網(wǎng)絡(luò)接口。該芯片集成了以太網(wǎng)MAC控制器和通用處理接口，有了它，STM32F103就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的功能了。這樣魚缸參數(shù)就可以通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和調(diào)整。

3 軟件部分

本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫，包括主程序、有燈光亮度調(diào)節(jié)子程序、溫度檢測(cè)子程序、電機(jī)控制子程序、液位調(diào)節(jié)子程序、定時(shí)器的設(shè)定子程序、自動(dòng)充氧子程序、顯示子程序、控制網(wǎng)關(guān)子程序、連接APP子程序。主要工作流程：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，獲取當(dāng)前的數(shù)據(jù)后可在APP顯示各個(gè)參數(shù)的變化，根據(jù)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，或者用戶也可在APP上對(duì)實(shí)際情況做出調(diào)節(jié)。系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)通過(guò)水位傳感器與自己在CPU里設(shè)定的值，再根據(jù)水位的變化對(duì)魚缸進(jìn)行水量控制，定期喂食。由于系統(tǒng)的硬件接口較多，如果全部用線連接會(huì)顯得雜亂無(wú)章，如果出現(xiàn)問(wèn)題難以找到原因，并且會(huì)存在測(cè)量誤差和系統(tǒng)通信不穩(wěn)定的情況，因此主控板需把所有傳感器的硬件接口分塊設(shè)計(jì)好[8]，能嵌入到控制板上的盡量集成在上面，這樣可以減少對(duì)系統(tǒng)的通信干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

利用微處理器和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)[5]，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了在網(wǎng)絡(luò)中使用用戶手持終端可以及時(shí)了解魚缸的工作狀態(tài)，通過(guò)接入網(wǎng)絡(luò)與客戶端的連接，實(shí)現(xiàn)魚缸功能的遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，成本低，易于規(guī)模化生產(chǎn)，具有一定的市場(chǎng)前景。

本方案采用智能控制水族代替普通水族館，省去了繁瑣的人工管理。從被動(dòng)管理到宏觀控制，同時(shí)，在缺少人員的情況下，根據(jù)用戶的需求來(lái)控制各參數(shù)控制器的啟動(dòng)和停止，如維護(hù)和照明，可以節(jié)約資源。對(duì)于大型水族館，定制智能水族館或訂購(gòu)生態(tài)水族館可以減少大量資金。對(duì)于普通家庭來(lái)說(shuō)，它可以提高家庭養(yǎng)魚的科學(xué)性，方便維護(hù)魚缸。

參考文獻(xiàn)

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