基于STM32的家用智慧魚缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭宇豪，朱宵月，田晨陽，朱秋潤，彭龍，尹輝娟

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000）

0 引言

隨著生活水平的日益提高，人們在追求富裕物質(zhì)生活的同時(shí)也要求豐富多彩、有益身心、健康的精神生活，觀賞魚的飼養(yǎng)成為了很多家庭美化居家環(huán)境、陶冶情操的不二之選。觀賞魚不僅具有極強(qiáng)的觀賞性，使家中更加生意盎然，充滿生機(jī)；魚缸中水分的自然蒸發(fā)，還可以增加室內(nèi)空氣濕度，使環(huán)境不那么干燥[1]。

觀賞魚的飼養(yǎng)是一項(xiàng)技術(shù)性較強(qiáng)的工作，由于飼養(yǎng)者經(jīng)驗(yàn)不足或無精力照顧等問題，養(yǎng)魚過程可能出現(xiàn)病魚、死魚的現(xiàn)象[2]；不僅如此，在新生小魚出現(xiàn)后，總免不了被大魚吞食[3]，如何把魚養(yǎng)好及如何保護(hù)新生小魚的安全成為許多養(yǎng)魚者普遍擔(dān)心的問題，因此設(shè)計(jì)一套基于STM32的家用智慧魚缸系統(tǒng)是非常有必要的。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

基于STM32的家用智慧魚缸系統(tǒng)主要由水循環(huán)模塊、喂食器模塊、溫度監(jiān)測模塊、新生小魚監(jiān)測模塊和應(yīng)急處理模塊共五大模塊組成。

水循環(huán)模塊包含有濁度傳感器、溶氧量傳感器和水泵。在檢測到水質(zhì)濁度和溶氧量異常時(shí)工作，保證水箱內(nèi)水質(zhì)濁度、溶氧量處于正常狀態(tài)，智能進(jìn)行魚缸內(nèi)外的水循環(huán)。

喂食器模塊既能使用在單片機(jī)內(nèi)部根據(jù)觀賞魚的習(xí)性預(yù)存的喂食量與喂食間隔，又能夠供用戶自行控制，個(gè)性化的定制適合自己魚類的喂食方式和間隔。

溫度監(jiān)測模塊通過溫度傳感器接收魚缸內(nèi)的水溫信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值進(jìn)行比對判斷，進(jìn)而控制升溫電路的接通與關(guān)斷。

新生小魚檢測模塊通過周期性的圖形監(jiān)測與對比，將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)判斷狀態(tài)為有小魚后，通過手機(jī)APP發(fā)送消息，提醒用戶進(jìn)行大小魚分離操作。

應(yīng)急處理模塊在水箱發(fā)生短期斷電時(shí)，通過蜂鳴器、LED顯示屏和手機(jī)APP三種形式發(fā)送報(bào)警信息，提醒用戶及時(shí)檢查相關(guān)問題，并為魚缸的控制系統(tǒng)提供短期的緊急電力供應(yīng)，確保短期內(nèi)的魚缸控制系統(tǒng)工作正常[4]。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以STM32F103VCT6單片機(jī)為主控芯片，各功能模塊中的硬件構(gòu)成如圖1所示，星標(biāo)為主要硬件。

圖1 基于STM32的家用觀賞魚智慧魚缸系統(tǒng)

2.1 水質(zhì)濁度傳感器

水質(zhì)濁度傳感器可根據(jù)水中的懸浮顆粒產(chǎn)生的散射光與透射光比值代替單純的散射光測量濁度，傳感器在整個(gè)量程范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，只需一點(diǎn)標(biāo)定，維護(hù)簡單。當(dāng)檢測到魚缸水質(zhì)濁度大于提前設(shè)定好的最高閾值時(shí)，啟動(dòng)水循環(huán)模塊進(jìn)行魚缸換水，當(dāng)檢測到魚缸水質(zhì)濁度小于提前設(shè)定好的最低閾值時(shí)，關(guān)閉水循環(huán)模塊，魚缸換水動(dòng)作停止。水質(zhì)濁度傳感器選用TS-300系列傳感器，該系列傳感器廣泛應(yīng)用于家用洗衣機(jī)、洗碗機(jī)上，具有配置方便、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，適合本設(shè)計(jì)應(yīng)用。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該傳感器具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)，接線方便，封裝后可應(yīng)用于多種場合，型號多種多樣，有LTM8874、LTM8877等。具有獨(dú)特的單線接口方式，與單片機(jī)連接時(shí)僅需要一條口線，用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值，且外圍電路簡單，使用時(shí)不需要外圍元件，可用數(shù)據(jù)總線供電。當(dāng)溫度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)為低于設(shè)定的最低閾值時(shí)，打開開關(guān)使加熱電路處于接通狀態(tài)，魚缸溫度會(huì)升高，當(dāng)溫度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)為高于設(shè)定的最高閾值時(shí)，關(guān)閉開關(guān)使加熱電路處于斷開狀態(tài)，魚缸溫度會(huì)降低[5]。

2.3 溶解氧傳感器

溶解氧傳感器模塊根據(jù)檢測到的水箱中的溶氧量來做出相應(yīng)動(dòng)作，當(dāng)溶解氧傳感器檢測到水箱中氧氣含量異常時(shí)，向STM32單片機(jī)發(fā)送指令，使水循環(huán)模塊啟動(dòng)進(jìn)行魚缸換水，定時(shí)循環(huán)檢測水箱中的溶氧量，當(dāng)溶氧量恢復(fù)正常值后，使水循環(huán)模塊關(guān)閉，停止魚缸換水動(dòng)作，保證水箱中的溶氧量始終為最佳狀態(tài)，避免觀賞魚因氧氣不足而失去生命特征。

2.4 喂食器模塊

系統(tǒng)喂食器模塊中預(yù)置多種觀賞魚類的養(yǎng)殖信息和相關(guān)設(shè)定，飼養(yǎng)者可以根據(jù)所養(yǎng)魚的種類、數(shù)量進(jìn)行自主調(diào)節(jié)。通過使用定時(shí)器，飼養(yǎng)者也可根據(jù)所養(yǎng)魚類的實(shí)際情況進(jìn)行自主定時(shí)調(diào)節(jié)，通過改變喂食時(shí)間來控制喂食的量，從而達(dá)到精準(zhǔn)自動(dòng)喂食的目的。本系統(tǒng)使用SG90舵機(jī)來控制喂食器卡槽的開關(guān)，此舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，扭力1.3到1.7kg/cm，工作電壓：4.8V到6V DC，使用范圍廣泛，價(jià)格低，適用于本系統(tǒng)。

2.5 新生小魚監(jiān)測模塊

新生小魚監(jiān)測模塊主要利用微型攝像頭來完成。通過對水中生物照片的間斷性比對，若發(fā)現(xiàn)水中有小魚的誕生，能夠及時(shí)發(fā)送信號到STM32單片機(jī)，由STM32單片機(jī)發(fā)送指令到電磁式有源蜂鳴器、LED顯示屏和通過WIFI模塊發(fā)送消息到手機(jī)APP，來提醒飼養(yǎng)者進(jìn)行相關(guān)隔離操作，避免小魚被大魚吞食的意外發(fā)生。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。首先各模塊初始化，然后判斷魚缸是否短期停電，若未停電則判斷是否產(chǎn)生喂魚中斷，若短期停電，則啟動(dòng)應(yīng)急處理模塊：蜂鳴器響起同時(shí)向手機(jī)APP發(fā)送魚缸停電報(bào)警信息，提醒飼養(yǎng)者魚缸停電及時(shí)修復(fù)供電，并在LED顯示屏上顯示魚缸斷電。判斷2分鐘后供電是否恢復(fù)，若未恢復(fù)則繼續(xù)執(zhí)行應(yīng)急處理模塊，若供電恢復(fù)則判斷是否產(chǎn)生喂魚中斷，若產(chǎn)生了喂魚中斷則喂魚，若未產(chǎn)生喂魚中斷或喂魚動(dòng)作完成則進(jìn)行溫度傳感器采集數(shù)據(jù)上報(bào)并進(jìn)行分析比對，判斷溫度是否正常，若魚缸溫度不正常，則將魚缸溫度調(diào)節(jié)至正常溫度，若溫度正常，則進(jìn)行水質(zhì)濁度傳感器采集數(shù)據(jù)上報(bào)并進(jìn)行比對分析，若濁度不正常，則開始換水，定時(shí)檢測當(dāng)前濁度是否低于設(shè)定的最低閾值，若不低于則繼續(xù)換水，若低于及濁度正常，則停止換水，之后檢測水箱中的溶氧量是否達(dá)標(biāo)，若溶氧量不達(dá)標(biāo)則啟動(dòng)藍(lán)光系統(tǒng)輔助照射，提高溶氧量，若溶氧量達(dá)標(biāo)則檢測是否有新生小魚，若有新生小魚則向手機(jī)APP發(fā)送信息提醒主人出現(xiàn)新生小魚，及時(shí)將小魚與大魚進(jìn)行物理隔離避免小魚被大魚吞食，若沒有新生小魚，系統(tǒng)返回模塊初始化狀態(tài)繼續(xù)工作。相關(guān)手機(jī)APP顯示及設(shè)置界面如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

圖3 手機(jī)APP顯示及設(shè)置界面

4 結(jié)語

基于STM32的家用智慧魚缸系統(tǒng)具有性價(jià)比高、使用方便、容變性強(qiáng)、定制化程度高的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于中小型魚缸，為用戶科學(xué)飼養(yǎng)觀賞魚提供極大便利。隨著科技的發(fā)展，智慧魚缸系統(tǒng)將會(huì)成為越來越多觀賞魚養(yǎng)殖者的選擇，定制化、個(gè)性化、遠(yuǎn)程化的操控方式也將成為更多智慧魚缸系統(tǒng)的功能拓展方向。