基于無線通信技術的魚缸遠程實時監控系統的設計與實現?

肖 軍 王 琳 劉洲洲

（西安航空學院電子工程學院 西安 710077）

1 引言

隨著社會的快速發展和人民生活水平的提高，觀賞魚缸等之類的工藝品逐漸進入了家庭。更廣泛出現在家庭、賓館、飯店及會議室等人群聚集的場所。“魚缸”又被稱為“水族箱”，這一詞起源于英國，沿用至今已超過了150 年。隨著科技水平的進步，人們欣賞水平和種植水平的提高，水族箱已不僅僅被認為是一個簡單的容器了，而是一個相對完備的生態系統。但是由于大多數人對水族箱微型生態系統不夠了解，缺乏養護技能，最后造成“草枯魚亡”。不同的魚對水環境的要求各不相同，比如熱帶海水魚則要求魚缸水溫保持在25℃～27℃左右，且晝夜溫差不能超過4℃～5℃；普通金魚水溫在23℃～26℃。同一類魚在繁殖期水溫要高一些。目前市場上出現了許多控制魚缸水溫、排水、充氧和照明的產品，但大多是非智能化的單一功能的系統［1～5］。

目前全球水族行業規模的年增長率達到15.6%，歐美、日本等國家家庭擁有率超過30%，我國尚不足1%，但我國每年各類大小魚缸的銷量就達上百億元，國內市場的潛力巨大。目前市場上的魚缸相對控制設備簡單單一。所以本文設計一款魚缸間歇充氧、恒溫控制、自動水循環控制器、自動喂食器和燈光自動控制器等控制功能于一體的控制系統。本設計以STM32位核心控制器，結合無線通信技術、傳感器技術和嵌入式技術，實現了遠程實時監控魚缸水環境［6～7］。

2 系統總體設計及功能分析

本系統由環境參數采集模塊和控制模塊組成。其中，環境參數采集模塊主要負責魚缸內水溫、水位、水濁度、光照強度等環境參數的采集工作，為系統的智能控制提供參考依據。同時系統周期性地讀取傳感器數據，為用戶展示實時數據信息和環境動態信息。智能控制模塊通過分析環境參數采集模塊采集到的數據，判斷是否給魚缸啟動換水、控溫、照明、喂食等功能。該系統功能框圖如圖1 所示。當魚缸環境參數發生異常，該系統可自動調節以及發出預警，具有較強的自適應功能。用戶可通過網絡登錄智能生態魚缸管理系統，查看歷史數據，并且通過Web 提供了各種便捷的信息管理服務［8～10］。

本文設計了一款以嵌入式芯片STM32F103 ZET6 為核心控制器的魚缸遠程控制系統，運用傳感器技術，通過溫度傳感器、水位傳感器，光強度檢測、水質PH 值檢測傳感器，攝像頭模塊，對魚缸環境參數進行實時采集，對魚缸生態系統的實時監測，系統具有自我調節的能力，根據生態狀況，對魚缸進行氣泵、水泵是否開啟、加熱器是否關閉等相關操作。用戶借助手機終端可以實時的獲取魚缸的相關參數，并以此判斷魚缸當前的物理環境狀況，實現對魚缸的遠程監視與控制。該系統實現了人們可以利用互聯網實時地觀看魚的生活情況［11～12］。

3 系統硬件設計

本次設計的主控芯片采用STM32的ARM 微控制器，其內核是Cortex-M3。STM32與51單片機芯片相比較，STM32 一次處理數據寬度32 位，處理數據 能 力 是51 單 片 機 的4 倍 ；STM32 內 部RAM 和ROM 都遠大于51單片機；STM32性能穩定，不會出現因內部問題而造成的輸出不穩定。

該系統采用STM32F103ZET6 單片機作為主控芯片，主要由水位控制模塊、水溫控制模塊、照明控制模塊、攝像頭模塊、、Wi-Fi 通信模塊、喂食控制模塊、加氧模塊、水泵控制模塊、水質PH 值檢測模塊和電源模塊組成。如圖2所示。

圖2 系統硬件整體架構圖

3.1 水位控制模塊

在實際生活中，魚缸水量蒸發，水位下降。該系統采用的水位傳感器有五個點：最下端點1 為基準點，點2、3、4、5 等距離分布，此五個端點發出的頻率各不相同。設端點1 為液位下限，當液位到達下限時開啟水泵，自動加水；設端點5 為液位上限，當液位達到上限時斷開供水泵電路停止加水。該五個端點分別通過五根導線接入控制面板中，再通過控制面板的信號線、電源正極和電源負極三根線連接到控制器，把魚缸水位控制在上限水位與下限水位之間，實現了遠距離控制水位。

3.2 水溫控制模塊

水溫控制模塊采用DS18B20 溫度傳感器芯片，芯片防止短路，防水防潮，防生銹，每個探頭經過嚴格測試，3.0V～5.0V 供電，測量精度 ±0.5℃，感溫范圍-55℃～125℃，抗干擾性好。封裝后的DS18B20 可用于高爐水循環測溫，機房測溫和農業大棚測溫等各種非極限溫度場合。如圖3 所示。適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。根據檢測溫度值是否在設定閾值范圍內來控制加熱器的開啟和關閉。

3.3 自動喂食模塊

本模塊主要實現主人不在家時自動投食的功能。該模塊通過控制減速電機轉動，完成自動喂食。控制電機的轉動時間即可控制每次投食量。減速電機采用N20型直流電機，5V供電。

圖3 DS18B20數字溫度傳感器探頭

3.4 攝像頭模塊

該系統采用OV2640 作為攝像頭模塊，能滿足本系統的圖像傳輸能力，具有影像處理功能。且該模塊輸出JPEG 格式的圖片，且圖片大小可調，占儲存空間較小。當手機Wi-Fi 打開后，連接控制器，通過點擊屏幕的“”，“”，“”，“”按鈕，給控制器發送指令通過舵機調整攝像頭的位置［13］。

3.5 水質PH值檢測模塊

PH 傳感器模塊是可進行二次開發的PH 值計檢測傳感器模塊。該模塊具有連線簡單、方便實用等特點。傳感器的電極用來測量水溶液中的氫離子活度，即PH 值，屬于PH 計測量元件。該模塊通過檢測PH數值，進行判斷是否開啟或關閉過濾器，給魚提供適合生長的酸堿性水環境［14］。

3.6 照明控制模塊

本模塊主要包含了BH1750 數字光強度傳感器。芯片內部的光敏二極管接近人眼反應，可檢測光強度范圍為0～65535lx。BH1750 光強度數據的讀取應遵循I2C總線協議［15］。

3.7 Wi-Fi通信模塊

系統通過Wi-Fi 模塊實現STM32 與智能手機的連接，智能手機可以接收各傳感器采集的相關數據，也可以控制調節魚缸內各項參數值［16］。

4 系統軟件設計

智能魚缸控制系統軟件程序包括主程序、水位檢測控制子程序、水溫檢測控制子程序、Wi-Fi 通信程序、水質檢測子程序、自動喂食控制子程序、照明控制子程序等。系統的工作流程為系統初始化，各項參數檢測［17～18］。圖4為系統主程序流程圖。

Wi-Fi 通信模塊經無線路由器接入互聯網并連接服務器，繼而將水位、水溫、水質等監測參數信息傳入服務器中。移動終端設備的Android 軟件可接收服務器發送來的數據信息，也可向服務器發送控制信息，實現每秒刷新一次數據信息。此外，Android 軟件通過對水位、水溫設定預警值，通過彈出報警對話框實現對用戶預警提示。該網絡通訊協議為TCP 協議，利用TCP 通訊可以逐幀更新WEB 中的圖片達到視頻效果。這樣就可以在世界各地控制我們的智能網絡魚缸了［19～23］。

圖4 主程序流程圖

手機端APP 包含有三大部分：Wi-Fi 鏈接界面設計，定時任務界面設計，人工控制界面設計。用戶使用時，打開程序，會進入Wi-Fi 鏈接界面，該過程為整個軟件建立一個與ARM 監測器之間的通訊；Wi-Fi 鏈接以后會自動進入到人工控制界面，該界面包含溫度、水位、PH值的檢測等；通過Wi-Fi通信，手機用戶可以直接讀取魚缸監測器的數據。

5 系統功能測試

本系統主要是在智能手機終端上進行測試。在手機終端可以查看歷史環境參數信息（例如水溫、水質、水位、添加飼料等），可以設置喂食時間和魚缸自動換水，也可以根據系統設置的溫度自動進行調節，更有利于水中生物的生存。通過一段時間的測試，該系統可以實現對魚缸的溫度、液位以及是否喂魚等進行控制，并能控制抽水機和過濾器的正常使用以及電機的正常運轉，最終實現了在線控制。測試表明，該系統具有較低的功耗，具有較高的安全性及可行性，可實現長時間的穩定運行。

6 結語

本系統是一種基于無線通信技術的魚缸智能監控系統。系統以STM32F103ZET6 為核心，給出軟硬件，進行了模塊化的詳細設計方案，最終實現用戶對魚缸的遠程監控。在長期的調試和運行中，該系統運行穩定可靠，具有較高的實用價值和市場推廣前景。