一種基于STM32物聯(lián)網(wǎng)家居控制的魚缸監(jiān)控系統(tǒng)

張勝男 楊榮國

基金項目：武昌工學(xué)院校級科研項目“基于只能魚缸的物聯(lián)網(wǎng)只能家居控制模式的研究”（2017KY01）。

作者簡介：張勝男（1980-），女，工程師，講師，主要從事自動控制系統(tǒng)研究。

摘 要：本文將家庭魚缸融入整個家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可靈活應(yīng)用STM32的接口，根據(jù)家庭的需求進(jìn)行增加或刪除。對于家庭不同的魚類需求，魚缸可根據(jù)檢測到的魚的種類進(jìn)行甄別并在數(shù)據(jù)庫中搜索相關(guān)的環(huán)境和喂養(yǎng)參數(shù)自行設(shè)定。如果特定數(shù)據(jù)庫中搜索不到，還可以自行進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)搜索，并由戶主根據(jù)個人的信任度選擇由魚缸自主確認(rèn)還是稍作修改。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);STM32;家庭魚缸

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.12.088

0 引言

德國政府于2010年提出的高科技戰(zhàn)略計劃工業(yè)4.0，旨在將物聯(lián)信息系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem簡稱CPS）推入整個工業(yè)生產(chǎn)的供應(yīng)、制造和銷售信息數(shù)據(jù)化、智慧化。這一計劃的提出使得從工業(yè)到生活產(chǎn)品的生產(chǎn)，各個領(lǐng)域都掀起了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的熱潮。本文介紹了在人們的生活中，水產(chǎn)養(yǎng)殖這一重要行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。

隨著國民家居生活品質(zhì)的不斷提升，家庭魚缸作為一項基本需求越來越普遍;而萬物互聯(lián)技術(shù)的不斷成熟，家用智能設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)控制需求越來越強烈。本文描述一種基于STM32的滿足物聯(lián)網(wǎng)家居控制需求的魚缸監(jiān)控系統(tǒng)，是一種實用的自動化控制技術(shù)。

1 設(shè)計思路

本文所闡述的設(shè)計方案是結(jié)合我國日益發(fā)達(dá)的物聯(lián)網(wǎng)家居技術(shù)，提出一套融合于物聯(lián)網(wǎng)家居測控系統(tǒng)的智能魚缸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)有的智能魚缸可以實現(xiàn)針對特定魚類的魚缸環(huán)境的監(jiān)控，本設(shè)計重點是在此基礎(chǔ)上使魚缸監(jiān)控融合于整個物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)，且對于不同的魚類所需的環(huán)境參數(shù)可以完成智能調(diào)節(jié)。

現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)家居技術(shù)旨在整合家居環(huán)境中的所有設(shè)備實現(xiàn)家居環(huán)境的整體智能化。但是目前發(fā)展不夠完善，魚缸作為并非所有家庭都會具備的設(shè)備，很好地實現(xiàn)了個體的自動化控制，家居系統(tǒng)整合和對不同魚類等多種應(yīng)用的靈活智能化需要提高。

本設(shè)計提供一種結(jié)合了深度學(xué)習(xí)的物聯(lián)網(wǎng)融合的思路，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。將魚缸的自動控制融入家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并自動識別魚缸中的魚類對環(huán)境監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行智能設(shè)定。

本實用新型所采用的技術(shù)方案是，采用STM32靈活設(shè)置接口，將智能魚缸接入家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以通過各種終端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控;采用圖像識別技術(shù)，對魚類進(jìn)行鑒別并通過深度學(xué)習(xí)來匹配相關(guān)參數(shù)，并且可以設(shè)置信任級別，來選擇是否需要人工確定。本實用新型的有益效果是：（1）魚缸可以根據(jù)家庭需要靈活選擇物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)的接口進(jìn)行接入;（2）魚缸可以通過圖像識別技術(shù)自動識別魚的種類;（3）魚缸可以通過自身數(shù)據(jù)庫或網(wǎng)絡(luò)查詢來匹配相關(guān)環(huán)境參數(shù);（4）深度學(xué)習(xí)程序的不斷成熟可以在家庭中不斷提高魚缸的信任度，使魚缸的操作逐步實現(xiàn)完全智能化。

2 工作原理

圖1是系統(tǒng)的原理圖，整個系統(tǒng)的工作可以看作三個功能部分的相互配合。

第一部分：主控部分。通過主控芯片STM32接入家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。其輸入信息主要通過安裝于魚缸頂部的攝像頭進(jìn)行采集，可以遠(yuǎn)程啟停，按需監(jiān)測魚缸內(nèi)狀況。通過主控芯片的魚類識別程序?qū)z像頭采集的魚類信息進(jìn)行圖像識別，并在數(shù)據(jù)庫中匹配相關(guān)的環(huán)境參數(shù);如果數(shù)據(jù)庫中沒有，可以通過WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索，或通過人工操作加入數(shù)據(jù)庫，增加數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的能力，提高識別數(shù)據(jù)庫的信任度。

第二部分：現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)輸入輸出部分。輸出設(shè)備為7寸TFT彩色液晶屏，可實時顯示溶解氧、溫度、PH、TDS、水泵壓力（出水流量）、氣泵流量、OPR傳感器采集的當(dāng)前數(shù)據(jù)值及停電、漏水的狀態(tài)值和系統(tǒng)時間。輸入控制數(shù)據(jù)主要通過觸摸屏或按鍵，可以設(shè)置溶解氧、溫度、PH、TDS、OPR的報警上下限值以及水泵壓力（出水流量）、氣泵流量的報警閥值及設(shè)備的定時時間段。如果某個參數(shù)達(dá)到報警值，則蜂鳴器報警，同時液晶屏對應(yīng)位置變紅色，并向指定的手機發(fā)送報警短信，用戶通過按鍵可以手動取消報警狀態(tài)值。特定的參數(shù)達(dá)到報警值進(jìn)行自動換水，根據(jù)定時時間進(jìn)行燈光、殺菌、造流的控制。

第三部分：遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)硬件每隔20S將當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)值、設(shè)置的報警值、傳感器報警狀態(tài)、設(shè)備工作狀態(tài)發(fā)送到指定IP的服務(wù)器。遠(yuǎn)程監(jiān)控可通過在手機電腦等終端安裝APP，通過軟件操作來實現(xiàn)。點擊終端APP輸入特定的用戶名和密碼。可以進(jìn)入控制界面，相關(guān)參數(shù)由硬件系統(tǒng)通過GPRS或WIFI實時監(jiān)測的魚缸數(shù)據(jù)傳輸過來，每隔20秒更新一次。如果所接收到的傳感器數(shù)據(jù)超過設(shè)定的值，則有相應(yīng)的推送信息提示。

通過手機或其他終端可以查看系統(tǒng)的傳感器實時數(shù)據(jù)、傳感器報警值、傳感器報警狀態(tài)以及設(shè)備的工作狀態(tài)。點擊每個數(shù)據(jù)后面“曲線”按鈕可以查看指定時間段的曲線。默認(rèn)顯示10分鐘內(nèi)的曲線，用戶可以根據(jù)自己的需求選擇查看1個小時、3個小時、12個小時、3天等時間段的數(shù)據(jù)。點擊APP控制界面相關(guān)參數(shù)設(shè)置按鍵，可以遠(yuǎn)程操作相應(yīng)硬件設(shè)備。服務(wù)器需要每隔1分鐘發(fā)送一次按鈕的狀態(tài)信息給服務(wù)器，并可以在每次收到數(shù)據(jù)時返回按鈕當(dāng)前的數(shù)據(jù)狀態(tài)。

3 系統(tǒng)介紹

圖2是系統(tǒng)控制板實物圖。控制板主要包括：主控芯片、24V直流電源電路、12V直流電路、換水電路、220V繼電器電路、6路4-20MA信號采集電路、通信電路。

其主控單片機為STM32F103ZET6，144個引腳封裝。接口設(shè)備TFT觸摸屏采用7寸并口觸摸屏。電源分別采用24V和12V直流開關(guān)電源。

換水電路中水流量計采用SY-201脈沖式水流量計，氣流量計采用SY-201脈沖式氣流量計;其中停電、水位和漏水信息都采用開關(guān)信號模式。

控制電路中溫度傳感器采用TC10K 3950模擬溫度計，溶解氧信息采用RS485通訊模式。PH傳感器、TDS傳感器、OPR傳感器信息都采用4-20mA信號采集。

進(jìn)水、出水球閥控制由12V、300mA直流電機控制;進(jìn)水、補水電磁閥采用12V、500mA直流電磁閥;水泵電壓12V。

設(shè)備控制采用220V繼電器。220V的交流控制設(shè)備由繼電器完成開/關(guān)控制，結(jié)合控制邏輯實現(xiàn)定時時間段等的控制。網(wǎng)絡(luò)通信采用SIM900A 3G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

4 實驗成果

系統(tǒng)已完成實物制作，并批量生產(chǎn)，圖3為試驗投產(chǎn)前的換水系統(tǒng)。當(dāng)進(jìn)水的水流測量值轉(zhuǎn)換的頻率值衰減至90%，液晶屏相應(yīng)位置的背景色變?yōu)榧t色，此時為換水系統(tǒng)一級報警;衰減至80%;液晶屏背景色變?yōu)榧t色的同時，聲光報警，此為二級報警;當(dāng)出水口壓力衰減至50%以下，系統(tǒng)默認(rèn)水泵停止工作，此時液晶屏背景色變?yōu)榧t色，聲光報警發(fā)同時短信報警，提示水泵抽空或停止工作，為三級報警。

氣泵工作情況相似。氣泵流量頻率值衰減到90%時液晶屏相應(yīng)位置背景色變?yōu)榧t色，為一級報警;衰減到80%時液晶屏背景色變?yōu)榧t色，聲光報警，二級報警;出口流量衰減到30%以下時系統(tǒng)默認(rèn)為氣泵停止工作，此時液晶屏背景色變?yōu)榧t色、聲光報警、短信報警，提示氣泵停止工作或嚴(yán)重漏氣，產(chǎn)生三級報警。

在系統(tǒng)設(shè)定的換水時間，且水位高于上限水位，或pH低于下限值且水位高于最低水位，或TDS高于上限值且水位高于最低水位，滿足三種情況的任一種即啟動自動換水程序。系統(tǒng)先排水，直至排水量達(dá)到設(shè)定值或低于下限水位，啟動加水程序，至水位高于上限水位，則停止加水。

如用戶設(shè)置的換水量不足，且引起pH值下降至設(shè)定下限、TDS值上升至設(shè)置上限時，會短信提醒用戶進(jìn)行手動換水，或提高每日換水量設(shè)定值。

當(dāng)系統(tǒng)檢測到溫度值低于設(shè)置的下限值或高于上限值，則液晶屏對應(yīng)的背景變?yōu)榧t色，同時給出聲光報警、短信提示溫度過低或過高，溫度過低則啟動升溫設(shè)備工作，溫度過高則啟動降溫設(shè)備工作。

系統(tǒng)檢測到溶解氧含量低于設(shè)置的下限值或高于上限值，則液晶屏對應(yīng)的背景色變?yōu)榧t色，同時給出聲光報警、短信提示溶解氧溶度過低或過高。

當(dāng)檢測的pH值、TDS值、OPR值低于設(shè)置的下限值或高于設(shè)置的上限值時，則液晶屏對應(yīng)的背景色變?yōu)榧t色，同時給出聲光報警、短信提示。系統(tǒng)檢測到缺水、停電或漏水，都會啟動相應(yīng)的報警程序。

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