一种光伏供电智能鱼缸控制系统的设计

李熠伟 吴科 卿晓梅 秦燕

摘 要：本文从节能环保和智能饲养出发，设计了一种光伏供电智能鱼缸控制系统。它主要由光伏供电系统、温控系统、自动投食系统和水环境监测外部传感器系统四个部分组成，通过单片机和网络服务器之间的通信实现智能化喂养热带观赏鱼，具有较好的市场应用价值。

关键词：光伏发电;温度控制;STM32单片机;智能鱼缸

中图分类号：S965.8;TP273 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）17-0008-03

Design of a Photovoltaic Powered Intelligent Fish Tank Control System

LI Yiwei WU Ke QING Xiaomei QIN Yan

（School of Electrical and Energy Engineering， Nantong Institute of Technology，Nantong Jiangsu 226002）

Abstract： Based on energy saving， environmental protection and intelligent breeding， this paper designed a photovoltaic power supply intelligent fish tank control system. It is mainly composed of four parts， namely photovoltaic power supply system， temperature control system， automatic feeding system and external sensor system for water environment monitoring， which realizes intelligent feeding of tropical ornamental fish through the communication between the single-chip computer and the network server， and has good market application value..

Keywords： photovoltaic power generation;temperature control;STM32 microcontroller;intelligent fish tank

随着人民生活水平的提高，养鱼已成为一种受欢迎的娱乐方式。其中，小型、色彩斑斓的热带鱼成为大多数养鱼人士的首选，但饲养热带鱼对水环境和温度有较高的要求，需要优质的调温设施。传统的调温措施是通过加热棒对水进行加热，功能单一且安装不当就会降低存活率，同时一天24 h的加热不仅成本高，也给环境带了负担。本文设计光伏供电智能鱼缸控制系统，改良了传统的调温措施，并结合传感器实现智能控制，可以让饲养环境更加准确地被调控，节约用电，让主人远程喂食和观赏，具有很好的市场应用价值。

1 模块化智能控制系统总体结构

光伏供电智能鱼缸控制系统总体结构如图1所示，主要包括光伏供电系统、水环境监测外部传感器系统、温度控制系统和远程控制系统四个模块，具体情况如图1所示。

2 电源系统

电源系统主要由光伏电源模块、逆变器及备用电源组成。光伏模块采用50 W多晶硅12 V太阳能电池板4块并联而成，其基本构造是运用p型与n型半导体接合而成的，如图2所示。

蓄电池组采用12 V/100 AH铅酸蓄电池储存太阳能电池发出的电能，铅酸蓄电池由极板、隔离板、电池外壳、电解质、液口栓等几部分构成。铅蓄电池内的阳极（PbO2）及阴极（Pb）浸到电解液（稀硫酸）中，单体蓄电池两极间会产生2 V的电力，经由充放电，阴阳极及电解液会发生如下的变化。

放电时，反应情况如下：

PbO2中Pb的化合价降低，被还原，负电荷流动;海绵状铅中Pb的化合价升高，正电荷流动。

充电时，反应情况如下：

第一个硫酸铅中铅的化合价升高，被氧化，正电荷流入正极;第二个硫酸铅中铅的化合价降低，被还原，负电荷流入负极。

最后，蓄电池所储存的电能通过逆变器中的升压回路和逆变桥式回路，升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压;逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成标准的220 V交流电，保证交流电在该智能系统中可正常使用，此外，逆变器还拥有自动稳压功能，在保障系统电流正常使用的前提下，改善光伏供电模块的供电质量。

当光伏电源模块因天气原因或其他未知因素出现问题或者故障无法产生足够的电能时，补充电源模块就会通过连接家庭电源，为系统供电，保障系统可正常运行工作。

3 温度等环境信号采集装置

数据采集是该设计的核心部分，通过温度传感器、含氧量探头、水位探头等DS18B20采集鱼缸内的环境信息，包括温度、含氧量、水位、pH，并由STM 8对其模数转换，通過STM32进行传输，实现多机通信。SIM900A完成单片机和网络服务器之间的通信。系统电源为系统提供3.3 V、5.0 V的稳压电源。

以温度为例，热带鱼对水温的要求较高，适宜生存的温度为24～28 ℃，而正常的水温为20 ℃左右。温度控制模块采用美国DALLAS半导体公司生产制造的新型适配微处理器的智能温度传感器，DS18B20内部自带AD数据转换器，可以通过传感器内部的温度采集、AD数据转换等一系列过程，最后把温度值以规定的格式进行输出。其内部测温流程如图3所示，原理如图4所示。

温度控制模块通过电位器WR调节鱼缸温度控制阀值，可以在较宽范围内控制鱼缸温度。鱼缸内加热棒加热的温度和WR设定的温度变化会引起电压变化，将变化电压与电压比较器LM393进行比较，模拟信号、数字信号由DO输出的数字量可直接与单片机STM8相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测鱼缸温度。该模块也可以输出模拟量AO，输出的模拟量为鱼缸内温度变化引起的电压变化量，此信号经AO口进入AD模块，模拟量AO可以和AD模块相连，通过AD转换，获得鱼缸内温度更精确的数字值。该模块有三线制和四线制，三线制可输出数字量DO，四线制可输出模拟量AO、数字量DO，本设计采用四线制。

4 远程控制模块

远程控制模块以STM32单片机为基础，选用STM32F1系列单片机作为平台。STM32是该模块的核心，所以应首先保证单片机的正常运行，再考虑系统功能的实现。STM32由电源、接地、复位以及时钟电路组成，其复位及时钟电路如图5所示。

本设计通信分成两部分，一是手机通过蓝牙通信，二是通过RS485通信把控制数据发送到单片机STM32。图6为单片机与WiFi通信示意图。

利用蓝牙+CPU组成，当用手机或计算机发出信号后，从机模块接收到手机发来的指令，然后从机模块和CPU进行串口通信。CPU根据接收的指令，分别输出高低电平信号来控制各驱动电路，从而实现物联网控制，其原理如图7所示。

本设计利用传感器检测鱼缸内信号变化进行实时通信，传感器采集信号后，将其发送到STM8单片机。信号经过模数转换后，单片机通过RS485通信把数据发出，STM32单片机把接收的数据通过显示器进行显示，以检测鱼缸内温度、pH等环境变化。

5 结论

本设计从满足爱鱼人士节能饲养、智能饲养和远程饲养的角度出发，研制光伏供电智能鱼缸控制系统，不仅可以提供光伏绿色能源供电，优化控温，而且能与用户手机实现通信连接，远程监控水温、卫生、pH，经济实用，具有非常好的应用前景。

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