基于STM32智能鱼缸监控系统的设计

向镍锌 郭 平 曹 旬

（西昌学院信息技术学院，四川 凉山615013）

0 引言

随着电子类产品的不断迭代更新，社会节奏随之逐渐加快，人们在享受快节奏的同时希望在家庭和办环境中营造慢的、惬意的生活。因此，在家庭、办公场所、商场等地，能看到不同型号、功能的鱼缸，为人们带来视觉上的放松体验。目前市面上此类产品的换水、喂食、加热等功能往往还依赖于用户的手动控制，并非智能化的整体系统，给人们的生活带来了很大的不便[1-2]。资料显示，目前全世界观赏鱼缸正以每年超过10%的速度增长，我国以观赏鱼缸为龙头的水族产业发展虽已有十余年，但规模不大，还存在巨大的市场发展潜力[3]。

1 系统结构与总体方案设计

本系统由三大模块构成，分别是服务器、移动终端App、系统硬件。服务器端由服务器程序与数据库组成，作为系统桥梁，具有解析App的请求信息、发送Wi-Fi无线模块数据信息、存储信息等功能。移动终端App为用户提供远程观测数据、远程控制鱼缸进行换水和喂食的操作界面。系统硬件由STM32微控制器、Wi-Fi模块、温度传感器模块、水位传感器模块、换水模块、喂食模块、OLED显示屏模块组成，为本系统监测鱼缸环境提供实时的底层数据。

如图1为本系统的设计框图。温度与水位传感器将采集的数据传输到STM32微控制器，并通过显示屏显示数据信息。微控制器通过Wi-Fi模块将数据发送到服务器端。移动端App发送数据请求与控制命令到服务器，当数据超过预设阈值时，用户可通过移动端远程发送控制命令到服务器，服务器再通过无线模块回传控制信息至微控制器，实现为鱼缸换水和喂食的功能。

图1 智能鱼缸监控系统设计框图

2 系统硬件设计

系统硬件包括主控制器模块、无线通讯模块、传感器采集模块、显示模块、换水模块、投喂模块几部分，通过对以上各模块进行设计完成鱼缸内环境数据检测、数据显示、数据传输、远程移动端访问、远程控制换水与投喂，实现智能鱼缸的自动监控功能的目的。

2.1 主控制器模块设计

系统选用以ARM为内核的STM32F103C8T6芯片的最小系统模块作为硬件设计的核心，其具有高性能、低时延、低功耗、低电压、稳定性高、集成度高等特点[4]，能为本系统提供及时、高效的处理。

2.2 无线通讯模块设计

Wi-Fi模块是用户与单片机通讯的核心组件，本项目选择ESP8266 Wi-Fi模块，通过发送AT指令的方式可对ESP8266 Wi-Fi模块进行配置，方便快捷。该模块共有六个引脚，除电源和接地引脚外，只需要将 其RXD和TXD引脚，与单片机的TXD、RXD连接，使用AT指令即可进行数据传输[5]。设置模块进入透传模式后，使用TCP/IP协议，可实现与服务器的网络通信。

2.3 传感器模块设计

温度传感器需要深入水中对鱼的生活环境温度进行监测，因此本设计选用专用液体温度传感器DS18B20数字温度传感器探头，其测量温度为-55℃～+125℃，工作电压为3 V～5 V。鱼的普遍适宜养殖温度为+20℃～+32℃，因此该温度传感器探头完全满足温度测量范围，且测量结果以9～12位数据量的方式串行传送[6]，单片机可直接将信息传输到用户查看。

水位传感器的主要作用是实时传送水位信息到单片机，到达系统预定时间或移动端发送换水操作时，进行换水操作，所以本设计选择成本低，灵敏度高的水位传感器，该水位传感器的工作电压为3～5 V，工作电流小于20 mA，不会对鱼儿产生影响，安全可靠。

2.4 换水与喂食模块设计

系统换水与喂食模块以舵机为基础，通过执行单片机的控制命令达到换水与喂食的目的。换水模块通过接收单片机的控制命令，转动舵机至对应角度，使鱼缸放出对应缺口，提供放水功能，同时在进水口设置一根连动杆，连接水源，进行加水操作，当换水时长达到要求后，换水模块自动复原。喂食模块与换水模块原理类似。用户可在移动端设置喂食间隔时间，也可立即进行喂食操作。服务器收到移动端控制信息后判断喂食时刻，若满足条件则向单片机发送控制指令，旋转舵机，饲料落下进行喂食，喂食完毕后恢复初始状态。

3 系统软件设计

系统软件设计包括服务器的开发、系统硬件编程和移动端App的设计。服务器端的开发，主要实现信息的存储、数据库的调用、命令的转发；系统硬件程序主要实现水温的检测、水位的检测、Wi-Fi模块的启动、OLED模块的显示、舵机的运转；移动端App的设计，主要实现登陆、注册、水温水位信息的显示、控制指令的发送。

3.1 系统硬件程序设计

系统硬件程序设计流程如图2所示。上电后，单片机系统、Wi-Fi模块、传感器模块、显示模块首先进行初始化，并进入工作状态。传感器采集到数据信息后，将信息发送到单片机后通过显示屏显示，Wi-Fi模块将信息发送至服务器，当服务器接收到控制指令后判断是喂食还是换水操作，并控制单片机驱动舵机进行相应操作。

3.2 移动端app设计

移动端app开发采用C++语言进行设计，利用QT软件作为开发环境[7]。搭 配 安 装jdk-8u121-windows-x64配置、sdk-installer_r24.4.1-windows配置、ant-apache-ant-1.10.3-bin配置、ndk-androidndk-r14b-windows-x86_64配置，即可用C++进行开发，其设计框图如图3所示。

进入App后，用户可进行注册与登录，若为正确的账号密码则跳转至控制界面。控制界面上实时显示当前鱼缸温度与水位信息，并可通过界面中换水与投食图标发送控制信息至服务器，从而控制单片机进行相应操作，设计完成的界面如图4所示。

图2 系统硬件程序流程图

4 结束语

本系统基于STM32单片机对家用鱼缸进行智能化设计，完成对鱼缸中的水温、水位实时检测，实现了对鱼缸的远程监控，降低了观赏鱼的喂养风险。系统在功耗、体积上都较小，且设计成本低，满足实际应用需求，具有良好的市场前景。

图4 移动端App界面

图3 移动端设计框图