基于STM32智能魚塘的設計與實現

摘 要：隨著經濟的快速發展，水產養殖業得到了大幅度的發展。在水產養殖業中，魚塘養殖占比較大，因此智能魚塘研究成為漁業信息化發展的重要趨勢。為此，設計了一種新型智能魚塘控制系統。系統基于STM32核心控制器，借助ESP8266芯片連接到后臺的通信服務器，實現實時數據傳輸；還能通過手機APP進行命令操作，這不僅實現了智能魚塘的控制，也為水產養殖業中的魚類養殖提供了更便捷、更優質的解決方案。

關鍵詞：智能魚塘；ESP8266；溫度檢測；WiFi遠程控制；節能環保；STM32

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-0-03

0 引 言

智能魚塘的研究融合了現代科技與漁業管理的創新理念，旨在提升養殖效率、減少資源浪費，并實現漁業可持續發展[1-3]。隨著全球人口增長，對海產品的需求不斷增加，傳統漁業面臨著過度捕撈、環境污染和資源枯竭等挑戰。在此背景下，智能魚塘作為一種創新方式應運而生，其能夠有效解決這些問題，提高漁業的可持續性。當前，物聯網、傳感器、數據分析等技術的飛速發展為智能漁業提供了新的機遇。研究人員可以利用這些技術設計智能魚塘系統，對養殖環境、魚群行為等進行實時監測與管理。智能魚塘可通過收集大量實時數據，利用人工智能和機器學習算法進行分析，從而更好地掌握魚類行為與健康狀況，進而提供精確的管理建議和決策支持。智能魚塘系統的引入可以有效減少資源浪費，通過智能調控水質、餌料投放等，減輕養殖對環境的負面影響。智能魚塘系統有望提高養殖效益，借助精細管理、智能預測等方式，提升魚類的生長速度、品質和產量，進而增加農民收益[4]。

智能魚塘的實施涉及多個科學領域，如信息技術、生態學、水產養殖學、傳感器技術、數據科學等。智能魚塘利用各種傳感器監測魚塘的水質、溫度、溶解氧、水流速等關鍵參數，這些傳感器提供的實時數據能為決策制定和管理提供科學依據。總體而言，智能魚塘研究的目的在于將現代科技與漁業管理相結合，推動漁業朝著更加智能、高效和可持續的方向發展。其科學性體現在綜合應用多學科知識并進行系統化設計，從而實現提高養殖效率、保護環境、獲取經濟效益和達成社會可持續發展的綜合目標[5-8]。

1 系統總體設計

本設計主要由STM32F103C8T6單片機核心板、OLED液晶屏、超聲波測距儀、溫度傳感器、渾濁度傳感器、繼電器、水泵、加熱棒、舵機、蜂鳴器、ESP8266 WiFi模塊等組成，且具備APP遠程控制功能。系統設計流程如圖1所示。

2 硬件設計

（1）液晶顯示

單片機通過I2C接口（PB6、PB7）與OLED12864液晶顯示屏（SCL、SDA）連接，驅動液晶屏顯示數據和閾值。

（2）DS18B20溫度傳感器

DS18B20溫度傳感器是單總線接口，把數據端接到單片機的PB9管腳，通過傳感器協議讀取溫度值。

（3）渾濁度傳感器

渾濁度傳感器的輸出模電壓會隨水質渾濁度的增加而增大。單片機利用模擬量采集管腳PA1采集渾濁度傳感器輸出的電壓值，之后通過計算將0～Vcc電壓轉換為0～100%的渾濁度。

（4）超聲波測距

該超聲波模塊為模擬量輸出，其0～5 V電壓對應著0～300 cm的測量距離。單片機經由AD0通道的PA0端口采集超聲波數據的模擬量電壓，進而將其轉換為距離值。

（5）蜂鳴器驅動控制

當蜂鳴器連接5 V電源并接地時便會發聲。其中，1 kΩ電阻起限流作用。單片機可通過控制PA7管腳輸出高低電平來控制蜂鳴器發聲。當單片機輸出高電平1時，三極管導通，蜂鳴器接地從而發聲；而當輸出低電平0時，三極管截止不導通，蜂鳴器未接地也就不會發聲。

（6）ESP8266 WiFi模塊

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，屬于串口控制模塊。單片機通過串口1（PA9和PA10）與該WiFi模塊通信，以控制其工作。其工作流程如下：首先，WiFi模塊上電后自動連接熱點；接著，連接服務器的IP地址，并通過MQTT協議登錄服務器，同時訂閱APP（只有訂閱了才能接收到APP下發的信息）。之后，單片機會定時以MCU身份將數據發布到MQTT服務器，若APP已訂閱了MCU設備，服務器在接收到單片機上傳的數據后，會自動將數據轉發到APP顯示。反之，APP下發數據的過程也是如此。

（7）按鍵

單片機I/O口接按鍵，按鍵按下時引腳接地，I/O口讀取到低電平0；按鍵松開時，由于單片機有內置上拉電阻，I/O口讀取到高電平1。其他兩個按鍵原理一樣。

（8）繼電器插座驅動控制

繼電器模塊的線圈通電時，KJ6觸點就會吸合；線圈斷電時，觸點則斷開。其中，1 kΩ電阻起到限流作用。單片機通過控制PC13管腳輸出高低電平，以此來控制繼電器的斷開與閉合。當單片機輸出高電平1時，三極管導通，繼電器線圈得電，觸點閉合；當輸出高電平0時，繼電器線圈不得電，觸點斷開。

3 軟件設計

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）通信協議被廣泛應用于物聯網（IoT）和各類分布式系統中。它是一種輕量級、高效的通信協議，其設計理念為提供可靠的消息傳遞機制，尤其適用于在低帶寬、高延遲、不穩定的網絡環境下的設備間通信中[9]。

MQTT運用發布/訂閱模式。在該模式下，設備能夠將消息發布至特定主題（topic），其他設備則可訂閱這些主題來接收相關消息。這種解耦式設計讓系統更具靈活性，使設備在不直接通信的情形下也能夠進行實時信息交換。

協議本身的輕量級特性使得其在資源受限的設備上運行效率高，消息頭部信息較小，通信開銷較低。這對于物聯網設備和嵌入式系統等資源有限的環境至關重要。

MQTT支持三個服務質量等級（QoS），分別是至多一次（QoS0）、至少一次（QoS1）和恰好一次（QoS2），開發人員可以根據應用場景的需求進行靈活配置，以確保消息的可靠性和及時交付。

持久會話和遺囑消息是MQTT的重要特性。持久會話允許客戶端保留其訂閱狀態，即使在重新連接時也能夠繼續接收消息。遺囑消息則允許設備在離線時向其他訂閱者發送預定義的消息，從而有效處理設備異常斷開連接的情況。

安全性是MQTT協議的重要關注點之一。該協議通過支持SSL/TLS加密協議，確保消息傳輸過程中的保密性。同時，MQTT還提供用戶名和密碼的身份驗證機制，并且利用訪問控制列表（ACL）限制客戶端的訪問權限，以此保障通信的安全性。

MQTT以其簡潔、高效、靈活和可靠的特性，成為連接分布式系統和物聯網設備的首選協議之一，實現了各種應用場景中設備之間的實時通信和數據交換。

4 系統功能測試與結果分析

所設計的智能魚塘系統具有多種功能，包括超聲波測距功能、定時喂食功能、溫度檢測與加熱功能、渾濁度測量與自動換水功能、WiFi遠程控制功能、閾值報警功能、按鍵控制換水和喂食等功能。

具體實現過程如下：

（1）將水泵、溫度傳感器、加熱器（禁止隔水加熱）放入水中；

（2）將手機熱點設為系統所設定的名稱和密碼；

（3）在下載的APP中按要求填寫登錄信息，如圖2所示；

（4）將開發板通過USB線與手機連接，給開發板上電后重新登錄，液晶顯示屏會出現數據，此時APP將顯示相關數據，并且可通過手機控制實物，如圖3所示。

智能魚塘系統是一個前景廣闊的農業科技項目[10]，它利用現代信息技術和智能化手段對傳統魚塘養殖進行管理和優化。該項目的可行性可從技術可行性、經濟可行性、環境可行性、市場可行性以及風險管理這五個方面來分析。

（1）技術可行性

基于物聯網（IoT）技術可通過傳感器監測水質（如溫度、酸堿度、溶解氧等）、魚群健康狀況以及環境變化。

數據處理與智能分析方面，利用大數據和機器學習技術對收集到的數據進行分析，從而優化養殖策略。

自動化控制系統能夠實現自動喂食、水質調節、疾病預防與控制等功能。

（2）經濟可行性

成本：初期投資包括智能化設備、系統搭建和人員培訓成本。

效益：長期來看，智能魚塘可以提高魚類生長速度，降低疾病風險，減少人力成本，提高整體經濟效益。

（3）環保可行性

可持續發展：智能魚塘有助于更有效地使用資源，減輕對環境的影響，促進生態平衡。

環保規范：符合當地環保法規和標準。

（4）市場可行性

市場需求：隨著生活水平的提高，人們對高質量水產品的需求增加。

政策支持：很多國家和地區鼓勵利用現代科技手段提升農業效率和產品質量。

公眾接受度：公眾對智能魚塘和可持續養殖的認知和接受度不斷提高。

（5）風險管理

技術風險：技術故障或不穩定可能導致生產中斷。

市場風險：市場價格波動、消費者偏好變化等。

自然風險：如極端天氣、自然災害等。

綜上所述，智能魚塘項目在技術、經濟、環境、社會和市場等多方面均具有可行性，但同時也需要注意風險管理和持續優化。項目實施應結合具體條件和資源，進行周密規劃和適當調整。

5 結 語

智能魚塘是一種利用物聯網技術、傳感器、數據分析和自動化控制等技術手段，對魚塘進行監測、管理和優化的系統。它在魚類養殖業的多個方面具有諸多優勢：首先，在實時監測和遠程管理方面，智能魚塘能夠實時監測魚塘的水質、水溫、溶氧量、pH值等關鍵參數以及魚群的生長狀況和行為。養殖場主借助智能手機應用或網絡平臺，可遠程監控魚塘狀態，對養殖環境進行實時調整和管理，這有助于提高養殖效率和產量。其次，在智能投喂和飼料管理方面，它可以根據魚群生長情況和飼料需求，自動控制投喂量和頻率，避免過度投喂或飼料浪費；并且通過數據分析和預測模型，能夠優化飼料配比和投喂策略，從而降低養殖成本，提高養殖效益。再者，在水質監測和治理方面，該系統可以通過監測水質參數，及時發現并預防水質異常和污染事件，如水體富營養化、氨氮超標、水體富集有害物質等。同時，利用智能水處理設備和生物過濾系統對水質進行實時治理和調節，以保持魚塘的良好生態環境。另外，在環境監測和風險預警方面，智能魚塘可以集成氣象傳感器和環境監測設備，監測天氣變化、氣溫、濕度、風向風速等環境參數，及時預警并應對自然災害和極端天氣事件，如暴雨、洪澇、干旱等，保障魚群安全和養殖設施穩定運行。最后，在數據分析和決策支持方面，通過采集和分析大量實時數據，能夠生成養殖生產的相關報告、趨勢分析和預測模型，為養殖場主提供決策支持和優化建議，幫助其更好地管理魚塘，提高養殖效率和經濟效益[10]。

綜上所述，智能魚塘應用前景廣闊，其能有效提升魚類養殖業的生產效率、質量并促進其可持續發展，為養殖場主帶來更多經濟與環境效益。此外，智能魚塘還為科研人員提供了重要的數據來源，推動了養殖技術的創新與發展。

參考文獻

[1] 歐祖南.基于物聯網的智能農業數據監測及精準控制系統研究[D].桂林：桂林理工大學，2023.

[2] 熊守麗.基于物聯網魚塘智能監控系統的軟件設計 [J].信息技術與信息化，2021（4）： 230-231.

[3] 熊守麗.基于物聯網魚塘智能監控系統的硬件設計[J].信息技術與信息化，2021（2）：28-30.

[4] 金靖淋.智能水產養殖之魚塘控制系統的設計與實現[D].重慶：重慶三峽學院，2020.

[5] 朱國棟，王啟睿，徐勝，等.基于STM32的智能魚塘投料機設計 [J].時代農機，2018，45 （3）： 151.

[6] 翟天翔，周棟梁，張昌偉.基于物聯網的漁業養殖監控預警系統設計與實現[C]//物聯網與無線通信——第二屆全國物聯網技術與應用學術會議和第十一屆全國無線電應用與管理學術會議論文集.重慶：中國通信學會，2016：4.

[7] 苗鳳娟，高巖，李倩倩，等. 魚塘冰層智能鉆孔機器人設計 [J].自動化與儀器儀表，2014（8）： 34-36.

[8] 牛丹丹. 基于深度學習和模糊邏輯的智慧魚塘關鍵技術及應用[D]. 新鄉：河南科技學院，2023.

[9] 華伯仙，高明冬，相炳坤，等. 淺談魚塘增氧機的智能控制 [J]. 科學養魚，2018（5）：19.

[10] 王建，溫嘉威，鐘禮浩，等. 一種用于魚塘增氧管理的智能浮標設計 [J]. 電子設計工程，2013，21 （11）：124-125.

收稿日期：2024-05-18 修回日期：2024-06-21