基于STM32的家用智慧鱼缸系统设计

郭宇豪，朱宵月，田晨阳，朱秋润，彭龙，尹辉娟

（河北农业大学信息科学与技术学院，河北 保定 071000）

0 引言

随着生活水平的日益提高，人们在追求富裕物质生活的同时也要求丰富多彩、有益身心、健康的精神生活，观赏鱼的饲养成为了很多家庭美化居家环境、陶冶情操的不二之选。观赏鱼不仅具有极强的观赏性，使家中更加生意盎然，充满生机；鱼缸中水分的自然蒸发，还可以增加室内空气湿度，使环境不那么干燥[1]。

观赏鱼的饲养是一项技术性较强的工作，由于饲养者经验不足或无精力照顾等问题，养鱼过程可能出现病鱼、死鱼的现象[2]；不仅如此，在新生小鱼出现后，总免不了被大鱼吞食[3]，如何把鱼养好及如何保护新生小鱼的安全成为许多养鱼者普遍担心的问题，因此设计一套基于STM32的家用智慧鱼缸系统是非常有必要的。

1 系统原理设计

基于STM32的家用智慧鱼缸系统主要由水循环模块、喂食器模块、温度监测模块、新生小鱼监测模块和应急处理模块共五大模块组成。

水循环模块包含有浊度传感器、溶氧量传感器和水泵。在检测到水质浊度和溶氧量异常时工作，保证水箱内水质浊度、溶氧量处于正常状态，智能进行鱼缸内外的水循环。

喂食器模块既能使用在单片机内部根据观赏鱼的习性预存的喂食量与喂食间隔，又能够供用户自行控制，个性化的定制适合自己鱼类的喂食方式和间隔。

温度监测模块通过温度传感器接收鱼缸内的水温信息，并将相关数据与设定阈值进行比对判断，进而控制升温电路的接通与关断。

新生小鱼检测模块通过周期性的图形监测与对比，将相关数据进行分析，数据判断状态为有小鱼后，通过手机APP发送消息，提醒用户进行大小鱼分离操作。

应急处理模块在水箱发生短期断电时，通过蜂鸣器、LED显示屏和手机APP三种形式发送报警信息，提醒用户及时检查相关问题，并为鱼缸的控制系统提供短期的紧急电力供应，确保短期内的鱼缸控制系统工作正常[4]。

2 硬件设计方案

本系统以STM32F103VCT6单片机为主控芯片，各功能模块中的硬件构成如图1所示，星标为主要硬件。

图1 基于STM32的家用观赏鱼智慧鱼缸系统

2.1 水质浊度传感器

水质浊度传感器可根据水中的悬浮颗粒产生的散射光与透射光比值代替单纯的散射光测量浊度，传感器在整个量程范围内具有良好的线性关系，只需一点标定，维护简单。当检测到鱼缸水质浊度大于提前设定好的最高阈值时，启动水循环模块进行鱼缸换水，当检测到鱼缸水质浊度小于提前设定好的最低阈值时，关闭水循环模块，鱼缸换水动作停止。水质浊度传感器选用TS-300系列传感器，该系列传感器广泛应用于家用洗衣机、洗碗机上，具有配置方便、灵敏度高等优点，适合本设计应用。

2.2 温度传感器

温度传感器采用DS18B20数字温度传感器，该传感器具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的特点，接线方便，封装后可应用于多种场合，型号多种多样，有LTM8874、LTM8877等。具有独特的单线接口方式，与单片机连接时仅需要一条口线，用户可自设定非易失性的报警上下限值，且外围电路简单，使用时不需要外围元件，可用数据总线供电。当温度传感器检测到的数据为低于设定的最低阈值时，打开开关使加热电路处于接通状态，鱼缸温度会升高，当温度传感器检测到的数据为高于设定的最高阈值时，关闭开关使加热电路处于断开状态，鱼缸温度会降低[5]。

2.3 溶解氧传感器

溶解氧传感器模块根据检测到的水箱中的溶氧量来做出相应动作，当溶解氧传感器检测到水箱中氧气含量异常时，向STM32单片机发送指令，使水循环模块启动进行鱼缸换水，定时循环检测水箱中的溶氧量，当溶氧量恢复正常值后，使水循环模块关闭，停止鱼缸换水动作，保证水箱中的溶氧量始终为最佳状态，避免观赏鱼因氧气不足而失去生命特征。

2.4 喂食器模块

系统喂食器模块中预置多种观赏鱼类的养殖信息和相关设定，饲养者可以根据所养鱼的种类、数量进行自主调节。通过使用定时器，饲养者也可根据所养鱼类的实际情况进行自主定时调节，通过改变喂食时间来控制喂食的量，从而达到精准自动喂食的目的。本系统使用SG90舵机来控制喂食器卡槽的开关，此舵机是一种位置伺服的驱动器，扭力1.3到1.7kg/cm，工作电压：4.8V到6V DC，使用范围广泛，价格低，适用于本系统。

2.5 新生小鱼监测模块

新生小鱼监测模块主要利用微型摄像头来完成。通过对水中生物照片的间断性比对，若发现水中有小鱼的诞生，能够及时发送信号到STM32单片机，由STM32单片机发送指令到电磁式有源蜂鸣器、LED显示屏和通过WIFI模块发送消息到手机APP，来提醒饲养者进行相关隔离操作，避免小鱼被大鱼吞食的意外发生。

3 软件设计方案

系统软件流程如图2所示。首先各模块初始化，然后判断鱼缸是否短期停电，若未停电则判断是否产生喂鱼中断，若短期停电，则启动应急处理模块：蜂鸣器响起同时向手机APP发送鱼缸停电报警信息，提醒饲养者鱼缸停电及时修复供电，并在LED显示屏上显示鱼缸断电。判断2分钟后供电是否恢复，若未恢复则继续执行应急处理模块，若供电恢复则判断是否产生喂鱼中断，若产生了喂鱼中断则喂鱼，若未产生喂鱼中断或喂鱼动作完成则进行温度传感器采集数据上报并进行分析比对，判断温度是否正常，若鱼缸温度不正常，则将鱼缸温度调节至正常温度，若温度正常，则进行水质浊度传感器采集数据上报并进行比对分析，若浊度不正常，则开始换水，定时检测当前浊度是否低于设定的最低阈值，若不低于则继续换水，若低于及浊度正常，则停止换水，之后检测水箱中的溶氧量是否达标，若溶氧量不达标则启动蓝光系统辅助照射，提高溶氧量，若溶氧量达标则检测是否有新生小鱼，若有新生小鱼则向手机APP发送信息提醒主人出现新生小鱼，及时将小鱼与大鱼进行物理隔离避免小鱼被大鱼吞食，若没有新生小鱼，系统返回模块初始化状态继续工作。相关手机APP显示及设置界面如图3所示。

图2 系统软件流程图

图3 手机APP显示及设置界面

4 结语

基于STM32的家用智慧鱼缸系统具有性价比高、使用方便、容变性强、定制化程度高的优点，本系统可广泛应用于中小型鱼缸，为用户科学饲养观赏鱼提供极大便利。随着科技的发展，智慧鱼缸系统将会成为越来越多观赏鱼养殖者的选择，定制化、个性化、远程化的操控方式也将成为更多智慧鱼缸系统的功能拓展方向。