基于物联网的鱼缸智能控制系统

张玉薇 李政 林和子 豪方敏 宋英路

摘要：针对市场上居家智能鱼缸控制系统功能单一、自动化程度低的缺点，设计一款多功能家用鱼缸，该鱼缸可由控制和物联网关两个模块组成。控制模块以STM32F103为核心，围绕平常的养殖鱼的生活环境，对其设计合理的控制参数，在无人照料的情况下，让鱼获得最理想的存活环境。物联网关模块可实现以太网接口（RJ45）与STM32F103之间的网络通信，能够将当前鱼缸中的控制参数传送到用户终端，使得用户实时了解鱼的情况。

关键词：智能鱼缸;STM32F103;物联网

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）04-0005-02

目前，市面上的智能鱼缸控制系统[1-6]，大多只能检测环境或者是控制部分家电的开关状态，并在显示屏上显示，而不能有效的进行在线控制操作，监控现有的鱼缸内的具体情况，且不能通过多种客户端与CPU进行数据交流及显示CPU的内部信号情况。一旦主控制器内部出现信号问题或者外围电路问题等，将会面临无法预知的情况，这将会致使鱼的生长受到影响。因此，一些电路简单，性能可靠和“自动间歇”的控制系统也不断出现。

相对于目前的水族行业市场的极大需求，多功能居家养殖鱼缸的研究仍处于萌芽阶段，用户所需要的产品质量也处于得不到满足的阶段。为此，我们升级现有的产品来满足客户的需求。并根据各种鱼的生活习性来设计所需的参数，设计线路结构简单，操作方便，节约资源，灵活性较强，性价比高的一款家用型鱼缸。该鱼缸具有温度恒定、智能供氧、水位智能控制、间歇性照明和喂食等多功能于一体的鱼缸智能控制系统。

1 总体方案与功能

1.1 系统设计

系统的结构用到了微处理器和网络通讯技术，该系统主要有温度恒定、智能供氧、水位智能控制、间歇性照明和喂食这几个控制模块组成，各个模块之间与微处理器STM32F103相连接，另外通过RJ45网关的通信接口与控制核心STM32F103之间进行通信，可在手持终端上控制鱼缸各参数的变化的实现。

1.2 系统控制参数

通过鱼的种类来对系统设定的鱼最适宜的生存环境控制参数，并根据鱼缸里的情况做出及时调整，智能鱼缸参数控制说明如表1所示。

1.3 系统结构

本设计的主要结构框图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 控制部分

控制部分由温度恒定模块、智能供氧模块、水位智能控制模块、间歇性照明模块和喂食模块组成。各模块从鱼缸中获取数据传输到STM32中，STM32将得到的数据经过处理后做出相应处理。

本系统选用STM32F103C8T6微控制器，其主频最高可达到72Mhz，支持外部扩展FLASHD、SDRAM，支持各种操作系统[7-9]。

通过使用WQ101温度传感器检测水温并使用加热模块来对水体加热，利用换水来进行降温。

自动充氧与STM32的一个I/O口进行连接[10]，利用微控制器的定时器来对继电器的合所持续的时长决定充氧器的工作时长。

当水位低于水位设定值时，控制水位的继电器吸合（外接水泵工作）开始抽水使得水位到达设定值。当水位高于水位设定值时，控制水位的继电器断开（水泵停止工作），当水位又一次降低于水位设定值以下时继电器再一次吸合，重复上述动作。这个功能使用在水位控制模块中，这样可以使得水位控制在水位设定值以上一点的位置。

通过光敏传感器获取当前鱼缸的光照强度传输到微控制器，再使用STM32的一个I/O口输出脉冲，调节LED灯亮度。

STM32定时完成设定的输出脉冲，电机得到脉冲后做出动作，通过四线二线制步进电机带动鱼食，运输食料并转动完成自动喂食。

2.2 物联网关部分

STM32F103没有网络功能。采用DM9000网络接口芯片为STM32F103提供网络接口。该芯片集成了以太网MAC控制器和通用处理接口，有了它，STM32F103就可以实现网络相关的功能了。这样鱼缸参数就可以通过手机APP进行在线监测和调整。

3 软件部分

本系统采用C语言编写，包括主程序、有灯光亮度调节子程序、温度检测子程序、电机控制子程序、液位调节子程序、定时器的设定子程序、自动充氧子程序、显示子程序、控制网关子程序、连接APP子程序。主要工作流程：启动系统进行初始化，获取当前的数据后可在APP显示各个参数的变化，根据参数的变化实现自动调节，或者用户也可在APP上对实际情况做出调节。系统主程序设计流程图如图2所示。

4 系统调试

系统通过水位传感器与自己在CPU里设定的值，再根据水位的变化对鱼缸进行水量控制，定期喂食。由于系统的硬件接口较多，如果全部用线连接会显得杂乱无章，如果出现问题难以找到原因，并且会存在测量误差和系统通信不稳定的情况，因此主控板需把所有传感器的硬件接口分块设计好[8]，能嵌入到控制板上的尽量集成在上面，这样可以减少对系统的通信干扰。

5 结语

利用微处理器和网络通讯技术[5]，设计并实现了在网络中使用用户手持终端可以及时了解鱼缸的工作状态，通过接入网络与客户端的连接，实现鱼缸功能的远程控制。该系统设计灵活，操作简单，运行稳定可靠，成本低，易于规模化生产，具有一定的市场前景。

本方案采用智能控制水族代替普通水族馆，省去了繁琐的人工管理。从被动管理到宏观控制，同时，在缺少人员的情况下，根据用户的需求来控制各参数控制器的启动和停止，如维护和照明，可以节约资源。对于大型水族馆，定制智能水族馆或订购生态水族馆可以减少大量资金。对于普通家庭来说，它可以提高家庭养鱼的科学性，方便维护鱼缸。

参考文献

[1] 葛华.鱼缸智能控制系统的设计与开发[J].科技咨询导报，2007（5）：146-147.

[2] 陈建树，杨光军.适合不同鱼种生存环境的智能鱼缸的设计[J].福建电脑，2013（5）：123-124.

[3] 丁惠忠.观赏鱼缸智能控制系统的设计[D].苏州大学，2007：36-37.

[4] 刘伟，林开司，刘安勇.基于物联网的鱼缸智能控制系统设计与实现[J].淮海工学院学报（自然科学版），2016（4）：1-4.

[5] 徐喆.一款家用鱼缸智能控制系统设计[D].西南交通大学，2014：9-10.

[6] 支元，王登科.基于嵌入式系统智能鱼缸的設计与实现[J].电脑知识与技术，2015，11（29）：155-156.

[7] 胡汉才.单片机原理及其接口技术（第3版）[M].北京：清华大学出版社，2010：49-78.

[8] 何立民.单片机应用技术选编[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.

[9] 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计（第5版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[10] 张静，肖杰，熊友达.智能鱼缸的设计[J].软件导刊，2011，（04）：58-59.