基于4G的物联鱼缸系统设计

梁顺可 黄志明 徐奕森 刘雷业 李弘辉

（广州城市理工学院，广州 510800）

随着信息技术的不断发展，智能化装置进入人们的视野。高效、可靠、方便的智能化装置，在生产生活中的应用越来越广泛，给人们带来了诸多便利，同时在军事、交通、家居、农业以及经济等领域表现出巨大的发展潜质[1]。为了使喜爱观赏鱼的人群既能享受观赏鱼带给自己欢乐，又能节约打理、照顾观赏鱼的时间，本文设计了一种物联鱼缸。此物联鱼缸可以实时监控鱼缸的水温、水质，还可以远程投喂鱼料，实现加热、过滤等功能，大大节约了饲养人的管理时间，具有很大的市场价值和发展前景。

1 系统的总体方案设计

图1为整个物联鱼缸系统的设计框图，主要由主控模块、控制部分、监控部分、无线模块、服务器和App共6个部分组成。整个系统采用模块化开发，可自由增减模块。当系统中某个模块发生故障后，无需拆解整个系统，只需替换发生故障的模块即可，极大地方便了后期维护。

图1 系统设计框图

2 系统的硬件设计

2.1 主控模块的设计

系统的主控模块芯片选用以ARM为内核的STM32F 103C8T6。该芯片具有高性能、高集成度、多IO口等特点，能快速处理系统的实时数据[2]。其中，芯片的多IO口特点方便在后期对系统增加其他的功能。

2.2 无线模块的设计

无线模块作为人机交互的重要组件，稳定性显得极为重要。此系统中的无线模块选用稳定性高的4G模块EC20，可以使物联鱼缸在无WiFi的环境中也能够正常使用。EC20通过串口与主控模块连接，主控模块发送AT指令进行配置。EC20为透传模式，通过MQTT协议实现数据交互。

2.3 监控部分的设计

监控部分由水质传感器和水温传感器组成。水质传感器选用TDS传感器，通过检测水中的溶解性固体总量判断水质的好坏。水温传感器选用DS18b20传感器，体积小、测量精度高、测量范围-55～+125 ℃，满足系统测温的需要[3]。

2.4 控制部分的设计

控制部分由过滤模块、加热模块和喂食模块组成。过滤模块和加热模块分别由过滤器和加热棒构成，由单片机控制继电器来控制其是否工作。图2为喂食模块的侧剖机构图。整个喂食机构可分为两部分，一部分为储食机构，另一部分为出食机构。储食机构由储食箱和顶盖组成。储食箱整体为一个类似漏斗形的四方锥体。四边采用倾斜的角度，使得在储食箱四周的食物能够在重力的作用下滑到储食箱的出口。储食箱上方增加了顶盖，具有防潮功能，可以缓解食物的受潮霉变。出食机构由出食底座、步进电机、电机夹以及出食拨片组成，如图3所示。出食底座上安装有一个步进电机，电机夹将出食底座和步进电机固定在一起，避免了电机的偏移。步进电机上有一出食拨片。储食箱出口的食物落下出食底座上。当需要喂食时，步进电机会根据喂食的多少控制出食拨片旋转的角度，从而将食物送到出食口。出食口前食物会在具有一定角度的斜坡滑下，

图2 喂食模块侧剖机构

图3 出食底座

避免食物的堆积和堵塞。

3 系统软件的设计

3.1 系统硬件程序的设计

系统上电模块初始化后，程序的流程如图4所示。STM32F103C8T6通过TDS、DS18s20传感器实时获取水质、水温，并通过EC20将数据上传到服务器，可用App查看到实时数据。App下发的命令经过服务器由EC20获取。STM32F103C8T6根据命令执行喂食、过滤以及加热等相应的功能[4]。

图4 程序流程图

3.2 App的设计

App作为人机交互的软件，用于查看系统的重要数据和下发命令。此系统的App界面如图5和图6所示。可以在App设定目标温度范围、目标水质范围，当超出范围就执行加热或者过滤。喂食可根据饲养量喂食相应的量[5]。

4 结语

本文基于4G对系统的硬件、软件和机构进行设计，完成了可以实时监控水质、水温和远程控制的物联鱼缸系统。此系统节约了用户在饲养观赏鱼的打理时间，满足了用户需求，有良好的市场价值。

图5 App界面示意图一

图6 App界面示意图二