智能魚缸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

呂毅飛 毛威 薛爭(zhēng)爭(zhēng)

摘要：該文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)一種智能魚缸檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，綜合利用單片機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過相關(guān)傳感器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)魚缸智能調(diào)節(jié)水溫、智能換水、智能凈化水、智能加氧等功能;另外系統(tǒng)中的通信模塊使得用戶可以通過手機(jī)App遠(yuǎn)程觀測(cè)魚缸內(nèi)數(shù)據(jù)，為觀賞養(yǎng)魚的人們提供了極大便利。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);智能控制;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）23-0065-03

1 引言

伴隨科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人類進(jìn)入5G時(shí)代，人們的消費(fèi)觀念發(fā)生了巨大變化，消費(fèi)水平和生活質(zhì)量不斷提高，人們的生活品位也越來(lái)越高，對(duì)生活場(chǎng)所的環(huán)境要求越來(lái)越強(qiáng)。他們希望有一種便捷的智能魚缸，因此智能魚缸越來(lái)越受到人們的關(guān)注，相關(guān)的休閑娛樂，家庭裝飾等行業(yè)也呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)。人們開始向往人與自然的和平與和諧，智能魚缸應(yīng)運(yùn)而生。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上有許多功能不一致的產(chǎn)品，其中大多數(shù)是非智能，單一恒溫控制、照明系統(tǒng)。如果一套多功能魚缸無(wú)法智能控制多個(gè)功能模塊和單個(gè)設(shè)備，則使用起來(lái)會(huì)很不靈活且效率低下，并且整體性能無(wú)法提高。國(guó)外有許多頂尖的公司研發(fā)出新型的智能魚缸，但普遍價(jià)格相對(duì)較高，觀賞性不強(qiáng)。在目前緊張的國(guó)內(nèi)外形勢(shì)下，科技研發(fā)已成為中國(guó)前沿科研的必要需求，中國(guó)在十四五規(guī)劃中明確指出了前沿科技引領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，建議提出瞄準(zhǔn)人工智能、集成電路等前沿領(lǐng)域的實(shí)施，但國(guó)內(nèi)市場(chǎng)相比較國(guó)外市場(chǎng)更匱乏的問題變得日益嚴(yán)重，本設(shè)計(jì)正符合國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)發(fā)展形勢(shì)。

本論文開始介紹了新型物聯(lián)網(wǎng)魚缸總控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，接著對(duì)其市場(chǎng)需求和可行性進(jìn)行了分析，然后分別介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件選擇。硬件中的傳感器不僅可以手動(dòng)進(jìn)行控制，亦可使用物聯(lián)網(wǎng)來(lái)實(shí)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)總程序采用的是keil 5，主要介紹了溫度控制模塊、氧氣補(bǔ)充模塊、食物供給模塊、pH值監(jiān)控模塊等部分的設(shè)計(jì)方案。最后將項(xiàng)目的系統(tǒng)硬件與軟件進(jìn)行結(jié)合，檢查系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)理念。

經(jīng)過多次測(cè)試，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，完成了設(shè)計(jì)之初的恒溫控制、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)喂食和氧氣供給的功能。用戶在使用過程中無(wú)須像對(duì)待尋常魚缸那樣長(zhǎng)期觀察，而且可以用云平臺(tái)遠(yuǎn)程地控制或查看魚缸內(nèi)環(huán)境。此外，該系統(tǒng)還可以進(jìn)一步的拓展，本系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由以下幾部分組成：STM32核心控制、按鍵模塊、顯示模塊、Wi-Fi模塊、外部設(shè)備和移動(dòng)終端。

2.1溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)電路采用內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換，在電路設(shè)計(jì)上用10f電容對(duì)采集到的信號(hào)先進(jìn)行濾波處理，它的特點(diǎn)具備靈敏度高，阻值和B值精度高，在P7端口外界一個(gè)探頭式得NTC溫度傳感器，探頭采集得模擬經(jīng)濾波處理后的信號(hào)傳送到單片機(jī)，通過 AD變換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)中，通過顯示屏顯示出溫度值，溫度檢測(cè)電路如圖2所示。

2.2顯示電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，該電路為人機(jī)交互模塊的 OLED顯示電路，采用I協(xié)議來(lái)驅(qū)動(dòng)協(xié)議。GND電源為負(fù)值， SCL時(shí)鐘信號(hào)線接PB9， SDA雙向信號(hào)線接PB8，I通信接口由地址SA0開始觸發(fā)，I總線數(shù)據(jù)信號(hào) SDA （用于輸出的 SDAOUT/D2和用于輸入的 SDAIN/D1）和I總線時(shí)鐘信號(hào) SCL （D0）組成，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)都必須連接上拉電阻， RES可用于控制顯示器的初始化，可用于7針SPI協(xié)議的驅(qū)動(dòng)電路中。整機(jī)模組控制芯片為SSD1306，即SSD1306光屏驅(qū)動(dòng)，這也是一種應(yīng)用更為廣泛的驅(qū)動(dòng)芯片。改變電路采用PL3500芯片，使整個(gè)模塊的輸入電壓范圍保持在正常范圍內(nèi)，外圍有1 uF的電容保護(hù)電路。該設(shè)計(jì)電路通過改變R2和R3電阻之間的比例關(guān)系，并在D2管腳外增加一個(gè)104的電容，從而使該模塊成為用于軟件驅(qū)動(dòng)的 SPI協(xié)議。本系統(tǒng)通過I協(xié)議設(shè)計(jì) OLED連接 MCU的PB8和PB9。

3 軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)換水流程圖如圖4所示，最初開始先進(jìn)行OLED人機(jī)交互模塊調(diào)試，首先調(diào)試的是先給設(shè)備供電，看OLED能否正常顯示數(shù)據(jù)，經(jīng)過設(shè)備調(diào)試之后，發(fā)現(xiàn)顯示器可以正常顯示，但是數(shù)據(jù)一般出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，查找硬件連接電源問題，但是沒有發(fā)現(xiàn)什么錯(cuò)誤，然后就看看IIC驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)顯示屏確認(rèn)可以使用，在進(jìn)行以下步驟，在OLED屏幕上輸入經(jīng)查找后符合規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，再通過循環(huán)代碼進(jìn)行判斷當(dāng)前水質(zhì)是否達(dá)到了規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，如果達(dá)到，就進(jìn)入持續(xù)判斷循環(huán)階段;如若檢測(cè)未達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，則會(huì)進(jìn)入另一個(gè)循環(huán)，進(jìn)入自動(dòng)換水階段，用符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的水體替代不符合規(guī)定的水體，隨后再進(jìn)行下一步重復(fù)式循環(huán)判斷。

自動(dòng)換水流程圖如圖5所示，在單片機(jī)接電后，首先應(yīng)該觀看OLED屏幕上所顯示第一次水體溫度值，再進(jìn)行判斷是否符合魚類生存環(huán)境的最適溫度范圍指標(biāo)，其中共分為2種情況，第一種假如顯示出的溫度值符合魚類生存最適溫度值區(qū)間，則在第一個(gè)循環(huán)中進(jìn)行持續(xù)判斷，第二種顯示出溫度值不符合魚類的生存最適溫度值區(qū)間，將人工介入并輸入所期望的溫度值，進(jìn)行第二次判斷檢測(cè)是否達(dá)到目標(biāo)所期望溫度值，如果達(dá)到了將會(huì)進(jìn)行循環(huán)判斷，如果沒有達(dá)到期望溫度值，將進(jìn)入下一個(gè)調(diào)整水溫階段，可自動(dòng)調(diào)整水溫，達(dá)到符合目標(biāo)所期望的溫度值，再進(jìn)行重復(fù)式循環(huán)判斷，左右互相配合循環(huán)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目基于STC15w系列單片機(jī)上設(shè)計(jì)并充分完成了智能魚缸檢測(cè)系統(tǒng)，通過各路連接的傳感器，傳輸并接收數(shù)據(jù)，OLED顯示數(shù)據(jù)，再人為進(jìn)行修改傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值，調(diào)控每個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)值，不僅擁有多個(gè)模塊，還具備多種設(shè)備，易操作，實(shí)施可以達(dá)到以下目的和意義：

1）檢測(cè)水中的酸堿度、亞硝酸鹽濃度、含氨氮濃度、溶解氧濃度、含鹽程度、PH值及水溫等，對(duì)魚類的生活環(huán)境進(jìn)行全面的掌控與了解;