一種基于STM32物聯(lián)網(wǎng)家居控制的魚(yú)缸監(jiān)控系統(tǒng)

張勝男 楊榮國(guó)

基金項(xiàng)目：武昌工學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目“基于只能魚(yú)缸的物聯(lián)網(wǎng)只能家居控制模式的研究”（2017KY01）。

作者簡(jiǎn)介：張勝男（1980-），女，工程師，講師，主要從事自動(dòng)控制系統(tǒng)研究。

摘 要：本文將家庭魚(yú)缸融入整個(gè)家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可靈活應(yīng)用STM32的接口，根據(jù)家庭的需求進(jìn)行增加或刪除。對(duì)于家庭不同的魚(yú)類(lèi)需求，魚(yú)缸可根據(jù)檢測(cè)到的魚(yú)的種類(lèi)進(jìn)行甄別并在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索相關(guān)的環(huán)境和喂養(yǎng)參數(shù)自行設(shè)定。如果特定數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索不到，還可以自行進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)搜索，并由戶主根據(jù)個(gè)人的信任度選擇由魚(yú)缸自主確認(rèn)還是稍作修改。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);STM32;家庭魚(yú)缸

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.12.088

0 引言

德國(guó)政府于2010年提出的高科技戰(zhàn)略計(jì)劃工業(yè)4.0，旨在將物聯(lián)信息系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem簡(jiǎn)稱(chēng)CPS）推入整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)的供應(yīng)、制造和銷(xiāo)售信息數(shù)據(jù)化、智慧化。這一計(jì)劃的提出使得從工業(yè)到生活產(chǎn)品的生產(chǎn)，各個(gè)領(lǐng)域都掀起了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的熱潮。本文介紹了在人們的生活中，水產(chǎn)養(yǎng)殖這一重要行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。

隨著國(guó)民家居生活品質(zhì)的不斷提升，家庭魚(yú)缸作為一項(xiàng)基本需求越來(lái)越普遍;而萬(wàn)物互聯(lián)技術(shù)的不斷成熟，家用智能設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)控制需求越來(lái)越強(qiáng)烈。本文描述一種基于STM32的滿足物聯(lián)網(wǎng)家居控制需求的魚(yú)缸監(jiān)控系統(tǒng)，是一種實(shí)用的自動(dòng)化控制技術(shù)。

1 設(shè)計(jì)思路

本文所闡述的設(shè)計(jì)方案是結(jié)合我國(guó)日益發(fā)達(dá)的物聯(lián)網(wǎng)家居技術(shù)，提出一套融合于物聯(lián)網(wǎng)家居測(cè)控系統(tǒng)的智能魚(yú)缸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)有的智能魚(yú)缸可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)特定魚(yú)類(lèi)的魚(yú)缸環(huán)境的監(jiān)控，本設(shè)計(jì)重點(diǎn)是在此基礎(chǔ)上使魚(yú)缸監(jiān)控融合于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)，且對(duì)于不同的魚(yú)類(lèi)所需的環(huán)境參數(shù)可以完成智能調(diào)節(jié)。

現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)家居技術(shù)旨在整合家居環(huán)境中的所有設(shè)備實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的整體智能化。但是目前發(fā)展不夠完善，魚(yú)缸作為并非所有家庭都會(huì)具備的設(shè)備，很好地實(shí)現(xiàn)了個(gè)體的自動(dòng)化控制，家居系統(tǒng)整合和對(duì)不同魚(yú)類(lèi)等多種應(yīng)用的靈活智能化需要提高。

本設(shè)計(jì)提供一種結(jié)合了深度學(xué)習(xí)的物聯(lián)網(wǎng)融合的思路，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。將魚(yú)缸的自動(dòng)控制融入家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并自動(dòng)識(shí)別魚(yú)缸中的魚(yú)類(lèi)對(duì)環(huán)境監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行智能設(shè)定。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是，采用STM32靈活設(shè)置接口，將智能魚(yú)缸接入家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以通過(guò)各種終端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控;采用圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)魚(yú)類(lèi)進(jìn)行鑒別并通過(guò)深度學(xué)習(xí)來(lái)匹配相關(guān)參數(shù)，并且可以設(shè)置信任級(jí)別，來(lái)選擇是否需要人工確定。本實(shí)用新型的有益效果是：（1）魚(yú)缸可以根據(jù)家庭需要靈活選擇物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)的接口進(jìn)行接入;（2）魚(yú)缸可以通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別魚(yú)的種類(lèi);（3）魚(yú)缸可以通過(guò)自身數(shù)據(jù)庫(kù)或網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)來(lái)匹配相關(guān)環(huán)境參數(shù);（4）深度學(xué)習(xí)程序的不斷成熟可以在家庭中不斷提高魚(yú)缸的信任度，使魚(yú)缸的操作逐步實(shí)現(xiàn)完全智能化。

2 工作原理

圖1是系統(tǒng)的原理圖，整個(gè)系統(tǒng)的工作可以看作三個(gè)功能部分的相互配合。

第一部分：主控部分。通過(guò)主控芯片STM32接入家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。其輸入信息主要通過(guò)安裝于魚(yú)缸頂部的攝像頭進(jìn)行采集，可以遠(yuǎn)程啟停，按需監(jiān)測(cè)魚(yú)缸內(nèi)狀況。通過(guò)主控芯片的魚(yú)類(lèi)識(shí)別程序?qū)z像頭采集的魚(yú)類(lèi)信息進(jìn)行圖像識(shí)別，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配相關(guān)的環(huán)境參數(shù);如果數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有，可以通過(guò)WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索，或通過(guò)人工操作加入數(shù)據(jù)庫(kù)，增加數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的能力，提高識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)的信任度。

第二部分：現(xiàn)場(chǎng)控制數(shù)據(jù)輸入輸出部分。輸出設(shè)備為7寸TFT彩色液晶屏，可實(shí)時(shí)顯示溶解氧、溫度、PH、TDS、水泵壓力（出水流量）、氣泵流量、OPR傳感器采集的當(dāng)前數(shù)據(jù)值及停電、漏水的狀態(tài)值和系統(tǒng)時(shí)間。輸入控制數(shù)據(jù)主要通過(guò)觸摸屏或按鍵，可以設(shè)置溶解氧、溫度、PH、TDS、OPR的報(bào)警上下限值以及水泵壓力（出水流量）、氣泵流量的報(bào)警閥值及設(shè)備的定時(shí)時(shí)間段。如果某個(gè)參數(shù)達(dá)到報(bào)警值，則蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)液晶屏對(duì)應(yīng)位置變紅色，并向指定的手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，用戶通過(guò)按鍵可以手動(dòng)取消報(bào)警狀態(tài)值。特定的參數(shù)達(dá)到報(bào)警值進(jìn)行自動(dòng)換水，根據(jù)定時(shí)時(shí)間進(jìn)行燈光、殺菌、造流的控制。

第三部分：遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)硬件每隔20S將當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)值、設(shè)置的報(bào)警值、傳感器報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備工作狀態(tài)發(fā)送到指定IP的服務(wù)器。遠(yuǎn)程監(jiān)控可通過(guò)在手機(jī)電腦等終端安裝APP，通過(guò)軟件操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)擊終端APP輸入特定的用戶名和密碼?？梢赃M(jìn)入控制界面，相關(guān)參數(shù)由硬件系統(tǒng)通過(guò)GPRS或WIFI實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的魚(yú)缸數(shù)據(jù)傳輸過(guò)來(lái)，每隔20秒更新一次。如果所接收到的傳感器數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的值，則有相應(yīng)的推送信息提示。

通過(guò)手機(jī)或其他終端可以查看系統(tǒng)的傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、傳感器報(bào)警值、傳感器報(bào)警狀態(tài)以及設(shè)備的工作狀態(tài)。點(diǎn)擊每個(gè)數(shù)據(jù)后面“曲線”按鈕可以查看指定時(shí)間段的曲線。默認(rèn)顯示10分鐘內(nèi)的曲線，用戶可以根據(jù)自己的需求選擇查看1個(gè)小時(shí)、3個(gè)小時(shí)、12個(gè)小時(shí)、3天等時(shí)間段的數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊APP控制界面相關(guān)參數(shù)設(shè)置按鍵，可以遠(yuǎn)程操作相應(yīng)硬件設(shè)備。服務(wù)器需要每隔1分鐘發(fā)送一次按鈕的狀態(tài)信息給服務(wù)器，并可以在每次收到數(shù)據(jù)時(shí)返回按鈕當(dāng)前的數(shù)據(jù)狀態(tài)。

3 系統(tǒng)介紹

圖2是系統(tǒng)控制板實(shí)物圖?？刂瓢逯饕ǎ褐骺匦酒?、24V直流電源電路、12V直流電路、換水電路、220V繼電器電路、6路4-20MA信號(hào)采集電路、通信電路。

其主控單片機(jī)為STM32F103ZET6，144個(gè)引腳封裝。接口設(shè)備TFT觸摸屏采用7寸并口觸摸屏。電源分別采用24V和12V直流開(kāi)關(guān)電源。

換水電路中水流量計(jì)采用SY-201脈沖式水流量計(jì)，氣流量計(jì)采用SY-201脈沖式氣流量計(jì);其中停電、水位和漏水信息都采用開(kāi)關(guān)信號(hào)模式。

控制電路中溫度傳感器采用TC10K 3950模擬溫度計(jì)，溶解氧信息采用RS485通訊模式。PH傳感器、TDS傳感器、OPR傳感器信息都采用4-20mA信號(hào)采集。

進(jìn)水、出水球閥控制由12V、300mA直流電機(jī)控制;進(jìn)水、補(bǔ)水電磁閥采用12V、500mA直流電磁閥;水泵電壓12V。

設(shè)備控制采用220V繼電器。220V的交流控制設(shè)備由繼電器完成開(kāi)/關(guān)控制，結(jié)合控制邏輯實(shí)現(xiàn)定時(shí)時(shí)間段等的控制。網(wǎng)絡(luò)通信采用SIM900A 3G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

4 實(shí)驗(yàn)成果

系統(tǒng)已完成實(shí)物制作，并批量生產(chǎn)，圖3為試驗(yàn)投產(chǎn)前的換水系統(tǒng)。當(dāng)進(jìn)水的水流測(cè)量值轉(zhuǎn)換的頻率值衰減至90%，液晶屏相應(yīng)位置的背景色變?yōu)榧t色，此時(shí)為換水系統(tǒng)一級(jí)報(bào)警;衰減至80%;液晶屏背景色變?yōu)榧t色的同時(shí)，聲光報(bào)警，此為二級(jí)報(bào)警;當(dāng)出水口壓力衰減至50%以下，系統(tǒng)默認(rèn)水泵停止工作，此時(shí)液晶屏背景色變?yōu)榧t色，聲光報(bào)警發(fā)同時(shí)短信報(bào)警，提示水泵抽空或停止工作，為三級(jí)報(bào)警。

氣泵工作情況相似。氣泵流量頻率值衰減到90%時(shí)液晶屏相應(yīng)位置背景色變?yōu)榧t色，為一級(jí)報(bào)警;衰減到80%時(shí)液晶屏背景色變?yōu)榧t色，聲光報(bào)警，二級(jí)報(bào)警;出口流量衰減到30%以下時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)為氣泵停止工作，此時(shí)液晶屏背景色變?yōu)榧t色、聲光報(bào)警、短信報(bào)警，提示氣泵停止工作或嚴(yán)重漏氣，產(chǎn)生三級(jí)報(bào)警。

在系統(tǒng)設(shè)定的換水時(shí)間，且水位高于上限水位，或pH低于下限值且水位高于最低水位，或TDS高于上限值且水位高于最低水位，滿足三種情況的任一種即啟動(dòng)自動(dòng)換水程序。系統(tǒng)先排水，直至排水量達(dá)到設(shè)定值或低于下限水位，啟動(dòng)加水程序，至水位高于上限水位，則停止加水。

如用戶設(shè)置的換水量不足，且引起pH值下降至設(shè)定下限、TDS值上升至設(shè)置上限時(shí)，會(huì)短信提醒用戶進(jìn)行手動(dòng)換水，或提高每日換水量設(shè)定值。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到溫度值低于設(shè)置的下限值或高于上限值，則液晶屏對(duì)應(yīng)的背景變?yōu)榧t色，同時(shí)給出聲光報(bào)警、短信提示溫度過(guò)低或過(guò)高，溫度過(guò)低則啟動(dòng)升溫設(shè)備工作，溫度過(guò)高則啟動(dòng)降溫設(shè)備工作。

系統(tǒng)檢測(cè)到溶解氧含量低于設(shè)置的下限值或高于上限值，則液晶屏對(duì)應(yīng)的背景色變?yōu)榧t色，同時(shí)給出聲光報(bào)警、短信提示溶解氧溶度過(guò)低或過(guò)高。

當(dāng)檢測(cè)的pH值、TDS值、OPR值低于設(shè)置的下限值或高于設(shè)置的上限值時(shí)，則液晶屏對(duì)應(yīng)的背景色變?yōu)榧t色，同時(shí)給出聲光報(bào)警、短信提示。系統(tǒng)檢測(cè)到缺水、停電或漏水，都會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的報(bào)警程序。

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