一種光伏供電智能魚缸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李熠偉 吳科 卿曉梅 秦燕

摘 要：本文從節(jié)能環(huán)保和智能飼養(yǎng)出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種光伏供電智能魚缸控制系統(tǒng)。它主要由光伏供電系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、自動(dòng)投食系統(tǒng)和水環(huán)境監(jiān)測(cè)外部傳感器系統(tǒng)四個(gè)部分組成，通過單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的通信實(shí)現(xiàn)智能化喂養(yǎng)熱帶觀賞魚，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;溫度控制;STM32單片機(jī);智能魚缸

中圖分類號(hào)：S965.8;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

隨著人民生活水平的提高，養(yǎng)魚已成為一種受歡迎的娛樂方式。其中，小型、色彩斑斕的熱帶魚成為大多數(shù)養(yǎng)魚人士的首選，但飼養(yǎng)熱帶魚對(duì)水環(huán)境和溫度有較高的要求，需要優(yōu)質(zhì)的調(diào)溫設(shè)施。傳統(tǒng)的調(diào)溫措施是通過加熱棒對(duì)水進(jìn)行加熱，功能單一且安裝不當(dāng)就會(huì)降低存活率，同時(shí)一天24 h的加熱不僅成本高，也給環(huán)境帶了負(fù)擔(dān)。本文設(shè)計(jì)光伏供電智能魚缸控制系統(tǒng)，改良了傳統(tǒng)的調(diào)溫措施，并結(jié)合傳感器實(shí)現(xiàn)智能控制，可以讓飼養(yǎng)環(huán)境更加準(zhǔn)確地被調(diào)控，節(jié)約用電，讓主人遠(yuǎn)程喂食和觀賞，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

1 模塊化智能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

光伏供電智能魚缸控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括光伏供電系統(tǒng)、水環(huán)境監(jiān)測(cè)外部傳感器系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)四個(gè)模塊，具體情況如圖1所示。

2 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)主要由光伏電源模塊、逆變器及備用電源組成。光伏模塊采用50 W多晶硅12 V太陽(yáng)能電池板4塊并聯(lián)而成，其基本構(gòu)造是運(yùn)用p型與n型半導(dǎo)體接合而成的，如圖2所示。

蓄電池組采用12 V/100 AH鉛酸蓄電池儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池發(fā)出的電能，鉛酸蓄電池由極板、隔離板、電池外殼、電解質(zhì)、液口栓等幾部分構(gòu)成。鉛蓄電池內(nèi)的陽(yáng)極（PbO2）及陰極（Pb）浸到電解液（稀硫酸）中，單體蓄電池兩極間會(huì)產(chǎn)生2 V的電力，經(jīng)由充放電，陰陽(yáng)極及電解液會(huì)發(fā)生如下的變化。

放電時(shí)，反應(yīng)情況如下：

PbO2中Pb的化合價(jià)降低，被還原，負(fù)電荷流動(dòng);海綿狀鉛中Pb的化合價(jià)升高，正電荷流動(dòng)。

充電時(shí)，反應(yīng)情況如下：

第一個(gè)硫酸鉛中鉛的化合價(jià)升高，被氧化，正電荷流入正極;第二個(gè)硫酸鉛中鉛的化合價(jià)降低，被還原，負(fù)電荷流入負(fù)極。

最后，蓄電池所儲(chǔ)存的電能通過逆變器中的升壓回路和逆變橋式回路，升壓回路把太陽(yáng)電池的直流電壓升壓到逆變器輸出控制所需的直流電壓;逆變橋式回路則把升壓后的直流電壓等價(jià)地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的220 V交流電，保證交流電在該智能系統(tǒng)中可正常使用，此外，逆變器還擁有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，在保障系統(tǒng)電流正常使用的前提下，改善光伏供電模塊的供電質(zhì)量。

當(dāng)光伏電源模塊因天氣原因或其他未知因素出現(xiàn)問題或者故障無(wú)法產(chǎn)生足夠的電能時(shí)，補(bǔ)充電源模塊就會(huì)通過連接家庭電源，為系統(tǒng)供電，保障系統(tǒng)可正常運(yùn)行工作。

3 溫度等環(huán)境信號(hào)采集裝置

數(shù)據(jù)采集是該設(shè)計(jì)的核心部分，通過溫度傳感器、含氧量探頭、水位探頭等DS18B20采集魚缸內(nèi)的環(huán)境信息，包括溫度、含氧量、水位、pH，并由STM 8對(duì)其模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過STM32進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。SIM900A完成單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的通信。系統(tǒng)電源為系統(tǒng)提供3.3 V、5.0 V的穩(wěn)壓電源。

以溫度為例，熱帶魚對(duì)水溫的要求較高，適宜生存的溫度為24～28 ℃，而正常的水溫為20 ℃左右。溫度控制模塊采用美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)制造的新型適配微處理器的智能溫度傳感器，DS18B20內(nèi)部自帶AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，可以通過傳感器內(nèi)部的溫度采集、AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等一系列過程，最后把溫度值以規(guī)定的格式進(jìn)行輸出。其內(nèi)部測(cè)溫流程如圖3所示，原理如圖4所示。

溫度控制模塊通過電位器WR調(diào)節(jié)魚缸溫度控制閥值，可以在較寬范圍內(nèi)控制魚缸溫度。魚缸內(nèi)加熱棒加熱的溫度和WR設(shè)定的溫度變化會(huì)引起電壓變化，將變化電壓與電壓比較器LM393進(jìn)行比較，模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)由DO輸出的數(shù)字量可直接與單片機(jī)STM8相連，通過單片機(jī)來(lái)檢測(cè)高低電平，由此來(lái)檢測(cè)魚缸溫度。該模塊也可以輸出模擬量AO，輸出的模擬量為魚缸內(nèi)溫度變化引起的電壓變化量，此信號(hào)經(jīng)AO口進(jìn)入AD模塊，模擬量AO可以和AD模塊相連，通過AD轉(zhuǎn)換，獲得魚缸內(nèi)溫度更精確的數(shù)字值。該模塊有三線制和四線制，三線制可輸出數(shù)字量DO，四線制可輸出模擬量AO、數(shù)字量DO，本設(shè)計(jì)采用四線制。

4 遠(yuǎn)程控制模塊

遠(yuǎn)程控制模塊以STM32單片機(jī)為基礎(chǔ)，選用STM32F1系列單片機(jī)作為平臺(tái)。STM32是該模塊的核心，所以應(yīng)首先保證單片機(jī)的正常運(yùn)行，再考慮系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。STM32由電源、接地、復(fù)位以及時(shí)鐘電路組成，其復(fù)位及時(shí)鐘電路如圖5所示。

本設(shè)計(jì)通信分成兩部分，一是手機(jī)通過藍(lán)牙通信，二是通過RS485通信把控制數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)STM32。圖6為單片機(jī)與WiFi通信示意圖。

利用藍(lán)牙+CPU組成，當(dāng)用手機(jī)或計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)后，從機(jī)模塊接收到手機(jī)發(fā)來(lái)的指令，然后從機(jī)模塊和CPU進(jìn)行串口通信。CPU根據(jù)接收的指令，分別輸出高低電平信號(hào)來(lái)控制各驅(qū)動(dòng)電路，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制，其原理如圖7所示。

本設(shè)計(jì)利用傳感器檢測(cè)魚缸內(nèi)信號(hào)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，傳感器采集信號(hào)后，將其發(fā)送到STM8單片機(jī)。信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)通過RS485通信把數(shù)據(jù)發(fā)出，STM32單片機(jī)把接收的數(shù)據(jù)通過顯示器進(jìn)行顯示，以檢測(cè)魚缸內(nèi)溫度、pH等環(huán)境變化。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)從滿足愛魚人士節(jié)能飼養(yǎng)、智能飼養(yǎng)和遠(yuǎn)程飼養(yǎng)的角度出發(fā)，研制光伏供電智能魚缸控制系統(tǒng)，不僅可以提供光伏綠色能源供電，優(yōu)化控溫，而且能與用戶手機(jī)實(shí)現(xiàn)通信連接，遠(yuǎn)程監(jiān)控水溫、衛(wèi)生、pH，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有非常好的應(yīng)用前景。

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