一種基于STM32單片機(jī)的智能魚缸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂杰 梁鑒明

摘? 要：文章對(duì)魚缸控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套智能魚缸控制系統(tǒng)，系統(tǒng)將分散的獨(dú)立模塊整合，以STM32單片機(jī)作為主控芯片，采用溫度傳感器DS18B20測(cè)量水溫，通過觸摸屏的圖形用戶界面（GUI）與魚缸進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)魚缸水溫檢測(cè)、加熱、換水、供氧、定時(shí)喂食等自動(dòng)控制功能。同時(shí)還在手機(jī)開發(fā)了微信控制小程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚缸的無線遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞：智能魚缸;STM32單片機(jī);圖形交互界面;無線遠(yuǎn)程控制

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）20-0013-05

Design of an Intelligent Fish Tank Control System Based on STM32 MCU

LYU Jie，LIANG Jianming

（Ningxia Institute of Science and Technology，Shizuishan? 753000，China）

Abstract：The fish tank control system is studied and an intelligent fish tank control system is designed in this paper. The system integrates separate independent modules，uses STM32 MCU as the main control chip，and temperature sensor DS18B20 is used to measure water temperature，and carries out human-computer interaction with fish tank through the graphical user interface（GUI）of touch screen，so as to realize fish tank water temperature detection，heating，water change，oxygen supply and timing feeding food and other automatic control functions. At the same time，a WeChat control applet was developed on the mobile phone to realize wireless remote control of the fish tank.

Keywords：intelligent fish tank;STM32 MCU;GUI;wireless remote control

0? 引? 言

目前觀賞魚養(yǎng)殖業(yè)市場(chǎng)巨大，為保證魚缸中的觀賞魚和水草植物的生活環(huán)境能盡可能地模仿自然生活的方式，需對(duì)魚缸定期換水、補(bǔ)氧、保持魚缸水溫的恒定和定期喂食。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常見的魚缸控制系統(tǒng)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上的傳統(tǒng)觀賞魚缸的水溫檢測(cè)、水溫控制、水循環(huán)、加氧、喂食大都需要人手工單獨(dú)控制操作，自動(dòng)化程度不高，給觀賞魚的養(yǎng)殖帶來了諸多不便[1，2]。已有的魚缸控制系統(tǒng)大多采用8位單片機(jī)作為主控芯片，對(duì)水溫、換水、加氧、喂食的控制模塊通常分別是相互獨(dú)立的器件，成本較高，且不便于集中統(tǒng)一進(jìn)行管理控制，缺乏良好的人機(jī)交互。

為了能給因工作繁忙無暇照料觀賞魚或者經(jīng)驗(yàn)不足的觀賞魚養(yǎng)殖者提供一種成本低、操作簡(jiǎn)單、節(jié)能高效的魚缸控制系統(tǒng)，并且在為觀賞魚提供良好生存環(huán)境的同時(shí)，也為觀賞魚養(yǎng)殖者提供更加舒適便利的人機(jī)交互體驗(yàn)，本文基于嵌入式控制技術(shù)與無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套智能魚缸控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以高性能的STM32單片機(jī)作為主控芯片，將對(duì)魚缸的水溫控制、水循環(huán)、供氧、喂食等分散獨(dú)立功能控制模塊整合在一起，通過在觸摸屏上開發(fā)的圖形用戶界面（GUI）實(shí)現(xiàn)對(duì)魚缸的自動(dòng)控制。此外，在手機(jī)端還可以利用手機(jī)微信小程序?qū)︳~缸進(jìn)行無線遠(yuǎn)程控制，使魚缸的控制能夠打破時(shí)間、地域上的限制。

1? 總體設(shè)計(jì)

智能魚缸控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

下位機(jī)由STM32單片機(jī)、溫度傳感器、觸摸屏、四路繼電器模塊及四路繼電器模塊分別連接的投食器、加熱器、氧氣泵和水泵組成，四路繼電器的開關(guān)動(dòng)作分別控制投食器、加熱器、氧氣泵和水泵的啟停。通過溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)魚缸水溫并發(fā)送水溫?cái)?shù)據(jù)至STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)接收并處理溫度傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，與設(shè)定值對(duì)比分析，當(dāng)水溫低于預(yù)設(shè)值時(shí)自動(dòng)開啟加熱器。加熱器、氧氣泵和水泵組成熱水流循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)加熱器開始工作的時(shí)候，氧氣泵和水泵也同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚缸的溫度、氧氣、水體循環(huán)的自動(dòng)控制。通過觸摸屏可設(shè)置更改自動(dòng)投食時(shí)間，實(shí)現(xiàn)定時(shí)自動(dòng)投食功能。

上位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。上位機(jī)由Wi-Fi四路繼電器模塊和用戶手機(jī)相連接，用戶通過手機(jī)微信小程序控制Wi-Fi四路繼電器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)魚缸的投食器、加熱器、氧氣泵和水泵的遠(yuǎn)程控制，Wi-Fi四路繼電器模塊與下位機(jī)的四路繼電器模塊形成互鎖。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)主控芯片采用具有1 MB Flash程序存儲(chǔ)器和256 kB靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的SRAM的STM32F429IGT6單片機(jī)，下位機(jī)STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、時(shí)鐘電路、BOOT設(shè)置電路和復(fù)位電路組成。其中，時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所必需的控制信號(hào)，單片機(jī)內(nèi)部的電路在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，嚴(yán)格地按時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作，單片機(jī)的各外圍部件的運(yùn)行都以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，有條不紊、一拍一拍地工作[3]。STM32F429IGT6單片機(jī)將時(shí)鐘電路提供的脈沖信號(hào)倍頻，最高可倍頻至180 MHz[4]STM32F429IGT6單片機(jī)的BOOT引腳在單片機(jī)復(fù)位時(shí)的電平狀態(tài)決定了單片機(jī)復(fù)位后從哪個(gè)區(qū)域開始執(zhí)行程序，通過設(shè)置BOOT0引腳的狀態(tài)，來選擇在復(fù)位后的啟動(dòng)模式。STM32F429IGT6單片機(jī)時(shí)鐘電路與BOOT設(shè)置電路如圖3所示，復(fù)位電路如圖4所示。

復(fù)位操作是對(duì)單片機(jī)片內(nèi)的各寄存器的初始化操作，STM32單片機(jī)為低電平復(fù)位，復(fù)位電路如圖4所示，其中R2作為上拉電阻，SW1為復(fù)位按鍵，需要復(fù)位時(shí)按下SW1，RESET引腳輸出低電平，此時(shí)系統(tǒng)復(fù)位。當(dāng)復(fù)位按鍵沒有動(dòng)作時(shí)由于RESET引腳接在上拉電阻上，默認(rèn)狀態(tài)為高電平，單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

水溫檢測(cè)采用防水型溫度傳感器DS18B20。DS18B20是一款數(shù)字溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同，它不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換就能讀取溫度，可直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號(hào)。其電壓范圍為3.O V到5.5 V，測(cè)溫范圍為-55 ℃～125 ℃，最高分辨可達(dá)0.062 5 ℃。DS18B20采用三線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本、易使用和精度高等特點(diǎn)，而且可以采用編程的方式實(shí)現(xiàn)9位到12位的轉(zhuǎn)換，具有線路簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)[5]。魚缸水溫檢測(cè)接口電路圖如圖5所示，DS18B20的數(shù)據(jù)口通信總線接一個(gè)10 kΩ上拉電阻用來保持?jǐn)?shù)據(jù)通信的穩(wěn)定。

顯示器采用5寸電容式觸摸屏，觸摸屏顯示器的接口電路如圖6所示。

四路繼電器模塊驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

四路繼電器模塊作用說明：INPUT1連接投食器，INPUT2連接加熱器，INPUT3連接氧氣泵，INPUT4連接水泵。其中加熱器、氧氣泵和水泵構(gòu)成熱水流循環(huán)系統(tǒng)。采用底濾、背濾、側(cè)濾等方式的魚缸，將加熱器和水泵放在一個(gè)盒子里面，能夠在持續(xù)供給熱水的同時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)魚種被加熱器燙傷的情況。和傳統(tǒng)的將器件直接放在魚缸里面的方法相比，可以為養(yǎng)殖的觀賞魚提供更加安全舒適的環(huán)境，提高魚缸的觀賞性，減小觸電事故的發(fā)生率，合并后的模塊也可有效地減少空間的占用。單片機(jī)與四路繼電器模塊實(shí)物連接如圖8所示。

系統(tǒng)電源采用12 V直流電源，通過電壓調(diào)整芯片將12 V直流電源調(diào)整到5 V，最后經(jīng)過1086電壓調(diào)節(jié)芯片調(diào)整后變?yōu)?.3 V，提供單片機(jī)正常的工作電壓。由MT9700功率開關(guān)芯片組成3.3 V電路的過電流保護(hù)電路，可以有效防止電流過流造成單片機(jī)燒壞的情況發(fā)生。

上位機(jī)中的Wi-Fi四路繼電器模塊采用獨(dú)立的電源直接供電，由用戶的手機(jī)直接控制，與STM32單片機(jī)控制的四路繼電器模塊采用雙模塊互鎖的方式，能夠預(yù)防當(dāng)其中一個(gè)模塊故障的時(shí)候，魚缸不能夠正常工作的困境。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)主程序流程圖如圖9所示。

下位機(jī)軟件開發(fā)采用μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)，μC/OS-Ⅲ是一種可以基于ROM運(yùn)行的、可裁剪的、搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，與其他類型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，μC/OS-Ⅲ實(shí)時(shí)性更高，程序的主體可以分為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的、無限循環(huán)且不能返回的系統(tǒng)的任務(wù)線程，每個(gè)任務(wù)線程具有相互獨(dú)立、互不干擾的特性，且具備自身的優(yōu)先級(jí)，提高了系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，特別適合于微處理器和控制器，是目前應(yīng)用最廣泛的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）[6]。

系統(tǒng)上電后啟動(dòng)執(zhí)行板層驅(qū)動(dòng)初始化程序，初始LTDC串口驅(qū)動(dòng)以及溫度傳感器，然后等待數(shù)據(jù)到來，當(dāng)接收到采集的溫度數(shù)值后，將溫度發(fā)送到數(shù)據(jù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)存值，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到邏輯處理層進(jìn)行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)和更新，最后將板級(jí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示層顯示數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)用戶交互。在顯示層處理比對(duì)用戶設(shè)定的參數(shù)，判別觸發(fā)事件，并發(fā)送觸發(fā)指令給邏輯處理層。邏輯處理層處理事件轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制值發(fā)送給數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層接收二進(jìn)制數(shù)值判別觸發(fā)通用型輸入引腳的控制，數(shù)據(jù)偵聽函數(shù)文件發(fā)送引腳控制命令給板級(jí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制通用型輸入引腳通斷。

溫度采集程序流程如圖10所示。

由于本設(shè)計(jì)中溫度傳感器DS18B20的DQ總線上只有一個(gè)DS18B20傳感器，故直接DS18B20復(fù)位并跳過ROM匹配，接著只需要給DS18B20發(fā)送溫度檢測(cè)指令，待測(cè)量完成后即可讀出DS18B20采集的溫度信息值，再根據(jù)系數(shù)即可轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值。

觸摸屏圖形用戶界面設(shè)計(jì)采用TouchGFX Designer軟件，TouchGFX Designer是ST系列芯片的專屬GUI設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過MVP架構(gòu)連接液晶顯示屏和BSP，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)可視化。TouchGFX Designer軟件開發(fā)界面如圖11所示。

手機(jī)端微信小程序開發(fā)采用騰訊提供的微信開發(fā)者工具，微信小程序控制流程如圖12所示。

當(dāng)用戶進(jìn)入程序后會(huì)進(jìn)行Wi-Fi密碼配對(duì)，配對(duì)成功后會(huì)進(jìn)入添加設(shè)備的流程。用戶成功添加設(shè)備后可以進(jìn)行設(shè)備的重命名操作、配置對(duì)應(yīng)繼電器的延時(shí)開啟時(shí)間、設(shè)定繼電器點(diǎn)動(dòng)模式和解綁設(shè)備操作。程序會(huì)判定是否按下開關(guān)，當(dāng)確認(rèn)按下開關(guān)后手機(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)到設(shè)備上，使對(duì)應(yīng)的繼電器的引腳輸出高電平。用戶進(jìn)行解綁操作后程序會(huì)判別是否已經(jīng)退出程序，如果沒有退出程序，則返回到用戶添加設(shè)備的流程，重新添加設(shè)備，退出程序則程序結(jié)束。手機(jī)微信小程序控制界面如圖13所示。

4? 結(jié)? 論

本文所設(shè)計(jì)的智能魚缸控制系統(tǒng)，由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，下位機(jī)采用STM32單片機(jī)作為主控芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)魚缸的自動(dòng)控制，上位機(jī)通過手機(jī)端微信小程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)魚缸的無線遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，觸摸屏的圖形交互界面（GUI）設(shè)計(jì)使得人機(jī)交互更加直觀，切合嵌入式智能家居系統(tǒng)的需求，可降低用戶的養(yǎng)殖觀賞魚門檻，為觀賞魚的養(yǎng)殖帶來便利。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葛華.多功能觀賞魚缸智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [D].江蘇：東南大學(xué)，2007.

[2] 楊冬英.基于單片機(jī)的智能魚缸設(shè)計(jì) [J].山西電子技術(shù)，2017（6）：34-37.

[3] 張毅剛，趙光權(quán)，劉旺.單片機(jī)原理及應(yīng)用：第3版 [M].北京：高等教育出版社，2016.

[4] ITeye.STM32F4xx HAL驅(qū)動(dòng)說明書 [EB/OL].（2016-03-04）.https：//www.iteye.com/resource/charmingsun-94526 59.

[5] 周克輝.基于單片機(jī)控制的DS18B20數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì) [J].湖南農(nóng)機(jī)，2010，37（11）：61-62.

[6] 劉火良，楊森.μC/OS-Ⅲ內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南：基于STM32 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

作者簡(jiǎn)介：呂杰（1974—），男，漢族，寧夏平羅人，助教，工學(xué)碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。