基于物聯網的魚缸智能控制系統

張玉薇 李政 林和子 豪方敏 宋英路

摘要：針對市場上居家智能魚缸控制系統功能單一、自動化程度低的缺點，設計一款多功能家用魚缸，該魚缸可由控制和物聯網關兩個模塊組成。控制模塊以STM32F103為核心，圍繞平常的養殖魚的生活環境，對其設計合理的控制參數，在無人照料的情況下，讓魚獲得最理想的存活環境。物聯網關模塊可實現以太網接口（RJ45）與STM32F103之間的網絡通信，能夠將當前魚缸中的控制參數傳送到用戶終端，使得用戶實時了解魚的情況。

關鍵詞：智能魚缸;STM32F103;物聯網

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0005-02

目前，市面上的智能魚缸控制系統[1-6]，大多只能檢測環境或者是控制部分家電的開關狀態，并在顯示屏上顯示，而不能有效的進行在線控制操作，監控現有的魚缸內的具體情況，且不能通過多種客戶端與CPU進行數據交流及顯示CPU的內部信號情況。一旦主控制器內部出現信號問題或者外圍電路問題等，將會面臨無法預知的情況，這將會致使魚的生長受到影響。因此，一些電路簡單，性能可靠和“自動間歇”的控制系統也不斷出現。

相對于目前的水族行業市場的極大需求，多功能居家養殖魚缸的研究仍處于萌芽階段，用戶所需要的產品質量也處于得不到滿足的階段。為此，我們升級現有的產品來滿足客戶的需求。并根據各種魚的生活習性來設計所需的參數，設計線路結構簡單，操作方便，節約資源，靈活性較強，性價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。

1 總體方案與功能

1.1 系統設計

系統的結構用到了微處理器和網絡通訊技術，該系統主要有溫度恒定、智能供氧、水位智能控制、間歇性照明和喂食這幾個控制模塊組成，各個模塊之間與微處理器STM32F103相連接，另外通過RJ45網關的通信接口與控制核心STM32F103之間進行通信，可在手持終端上控制魚缸各參數的變化的實現。

1.2 系統控制參數

通過魚的種類來對系統設定的魚最適宜的生存環境控制參數，并根據魚缸里的情況做出及時調整，智能魚缸參數控制說明如表1所示。

1.3 系統結構

本設計的主要結構框圖如圖1所示。

2 硬件設計

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據傳輸到STM32中，STM32將得到的數據經過處理后做出相應處理。

本系統選用STM32F103C8T6微控制器，其主頻最高可達到72Mhz，支持外部擴展FLASHD、SDRAM，支持各種操作系統[7-9]。

通過使用WQ101溫度傳感器檢測水溫并使用加熱模塊來對水體加熱，利用換水來進行降溫。

自動充氧與STM32的一個I/O口進行連接[10]，利用微控制器的定時器來對繼電器的合所持續的時長決定充氧器的工作時長。

當水位低于水位設定值時，控制水位的繼電器吸合（外接水泵工作）開始抽水使得水位到達設定值。當水位高于水位設定值時，控制水位的繼電器斷開（水泵停止工作），當水位又一次降低于水位設定值以下時繼電器再一次吸合，重復上述動作。這個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定值以上一點的位置。

通過光敏傳感器獲取當前魚缸的光照強度傳輸到微控制器，再使用STM32的一個I/O口輸出脈沖，調節LED燈亮度。

STM32定時完成設定的輸出脈沖，電機得到脈沖后做出動作，通過四線二線制步進電機帶動魚食，運輸食料并轉動完成自動喂食。

2.2 物聯網關部分

STM32F103沒有網絡功能。采用DM9000網絡接口芯片為STM32F103提供網絡接口。該芯片集成了以太網MAC控制器和通用處理接口，有了它，STM32F103就可以實現網絡相關的功能了。這樣魚缸參數就可以通過手機APP進行在線監測和調整。

3 軟件部分

本系統采用C語言編寫，包括主程序、有燈光亮度調節子程序、溫度檢測子程序、電機控制子程序、液位調節子程序、定時器的設定子程序、自動充氧子程序、顯示子程序、控制網關子程序、連接APP子程序。主要工作流程：啟動系統進行初始化，獲取當前的數據后可在APP顯示各個參數的變化，根據參數的變化實現自動調節，或者用戶也可在APP上對實際情況做出調節。系統主程序設計流程圖如圖2所示。

4 系統調試

系統通過水位傳感器與自己在CPU里設定的值，再根據水位的變化對魚缸進行水量控制，定期喂食。由于系統的硬件接口較多，如果全部用線連接會顯得雜亂無章，如果出現問題難以找到原因，并且會存在測量誤差和系統通信不穩定的情況，因此主控板需把所有傳感器的硬件接口分塊設計好[8]，能嵌入到控制板上的盡量集成在上面，這樣可以減少對系統的通信干擾。

5 結語

利用微處理器和網絡通訊技術[5]，設計并實現了在網絡中使用用戶手持終端可以及時了解魚缸的工作狀態，通過接入網絡與客戶端的連接，實現魚缸功能的遠程控制。該系統設計靈活，操作簡單，運行穩定可靠，成本低，易于規模化生產，具有一定的市場前景。

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。從被動管理到宏觀控制，同時，在缺少人員的情況下，根據用戶的需求來控制各參數控制器的啟動和停止，如維護和照明，可以節約資源。對于大型水族館，定制智能水族館或訂購生態水族館可以減少大量資金。對于普通家庭來說，它可以提高家庭養魚的科學性，方便維護魚缸。

參考文獻

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[2] 陳建樹，楊光軍.適合不同魚種生存環境的智能魚缸的設計[J].福建電腦，2013（5）：123-124.

[3] 丁惠忠.觀賞魚缸智能控制系統的設計[D].蘇州大學，2007：36-37.

[4] 劉偉，林開司，劉安勇.基于物聯網的魚缸智能控制系統設計與實現[J].淮海工學院學報（自然科學版），2016（4）：1-4.

[5] 徐喆.一款家用魚缸智能控制系統設計[D].西南交通大學，2014：9-10.

[6] 支元，王登科.基于嵌入式系統智能魚缸的設計與實現[J].電腦知識與技術，2015，11（29）：155-156.

[7] 胡漢才.單片機原理及其接口技術（第3版）[M].北京：清華大學出版社，2010：49-78.

[8] 何立民.單片機應用技術選編[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[9] 馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計（第5版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[10] 張靜，肖杰，熊友達.智能魚缸的設計[J].軟件導刊，2011，（04）：58-59.