基于STM32的智能魚缸設(shè)計(jì)

盧佳妮，趙心瑜，呂 利

（臨沂大學(xué)，山東 臨沂 276000）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，居住、工作環(huán)境的生動(dòng)化，溫馨化與人的精神、情操、新的生活觀念緊密地聯(lián)系在一起，休閑水族行業(yè)正是在人類的這種需求下應(yīng)運(yùn)而生，巨大的魚缸市場需求也極大地推動(dòng)了國內(nèi)外各種魚缸控制設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)，本文基于STM32設(shè)計(jì)研發(fā)的智能魚缸可解決魚類飼養(yǎng)的困難，將所有的功能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化供給。

1 智能魚缸的軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1 智能魚缸主控芯片

針對(duì)性的采用STM32F103C8T6單片機(jī)，該設(shè)計(jì)該芯片是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，主控芯片高達(dá)72 MHz工作頻率，64 K閃存程序存儲(chǔ)器，20 K字節(jié)ROM，擁有睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式，VBAT為RTC和后備寄存器供電，可用于時(shí)間顯示、結(jié)算，3個(gè)通用定時(shí)器，1個(gè)定時(shí)器，37個(gè)快速IO口，足夠模塊使用，且資料齊全，利于開發(fā)，成本低。應(yīng)用于此控制系統(tǒng)，可以使設(shè)計(jì)擁有多種模式，在滿足使用的前提下使功能具有多元化，例如在應(yīng)用睡眠模式時(shí)可以解決能源。

1.2 智能魚缸通信設(shè)計(jì)

基于STM32的智能魚缸是通過ESP8266串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，本著物聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能魚缸當(dāng)前狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)檢測(cè)以及發(fā)送指令對(duì)智能魚缸實(shí)際操控，該模塊將單片機(jī)將采集到的溫度、濕度、濁度等情況直接反饋給手機(jī)，使用戶可實(shí)時(shí)監(jiān)控魚缸動(dòng)態(tài)［1］，用戶也可根據(jù)自身需求對(duì)魚缸設(shè)置自主管理，可實(shí)現(xiàn)魚兒的自動(dòng)化，快捷化，自主化管理［2］。

1.3 智能魚缸濁度傳感器的使用信息

應(yīng)用的多種傳感器在相互配合、不斷調(diào)節(jié)下可以保證優(yōu)秀的水質(zhì)，而優(yōu)良的水質(zhì)能讓魚缸內(nèi)魚兒的生長保持良好的狀態(tài)?；诖?，優(yōu)秀的適宜生長空間是保障魚類的健康成長的必要前提，現(xiàn)階段的多數(shù)魚類狀態(tài)不佳或者快速死亡的原因大多數(shù)是由于飼養(yǎng)者經(jīng)驗(yàn)的匱乏，管理魚缸不當(dāng)，導(dǎo)致水質(zhì)惡化造成的［3］。

為解決上述問題，本產(chǎn)品基于STM32的智能魚缸搭配多種傳感器，使用的濁度傳感器是TS-300B型，濁度傳感器TS-300B型可測(cè)量水中的濁度，也就是懸浮物的計(jì)數(shù)器。

該濁度傳感器是利用光學(xué)原理，通過液體溶液中的透光率和散射率來綜合判斷濁度情況。傳感器內(nèi)部是一個(gè)紅外線對(duì)管，當(dāng)光線穿過一定量的水時(shí)，光線的透過量取決于該水的污濁程度，水越污濁，透過的光就越少。當(dāng)濁度是測(cè)量水中顆粒物的，需要單片機(jī)模擬口讀取進(jìn)行計(jì)算需要濁度校準(zhǔn)液來校準(zhǔn)，得到該魚缸的渾濁程度，當(dāng)渾濁程度達(dá)到閾值時(shí)，智能魚缸則自動(dòng)報(bào)警，進(jìn)行換水［4］。傳感器內(nèi)部是一個(gè)IR958與PT958封裝的紅外線對(duì)管，當(dāng)光線穿過一定量的水時(shí)，光線的透過量取決于所測(cè)量的水的污濁程度，水越污濁，透過的光就越少。光接收端把透過的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電流大小，透過的光越多，電流越大，反之透過的光越少，對(duì)應(yīng)的電流越小?；诖耍ㄟ^測(cè)量接收端電流的大小來進(jìn)行水的污濁程度計(jì)算。

1.4 DS18B20測(cè)溫模塊

采用DS18B20傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)，同時(shí)搭配蜂鳴器進(jìn)行異常情況的報(bào)警處理。該傳感器測(cè)溫模塊可適應(yīng)范圍變化更寬的電壓，使電壓范圍保持在3.0～5.5 V，在寄生電源方式下由數(shù)據(jù)線供電。該傳感器模塊具有獨(dú)特的單線接口方式，在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)兩者的雙向通訊，同時(shí)支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫，測(cè)溫范圍更廣，而且精度可以大大提高。該傳感器在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，可以有效地減少占用體積；該測(cè)溫模塊同時(shí)可以保證精度和廣度，測(cè)溫范圍在-55℃～＋125℃，在-10℃～＋85℃時(shí)精度為±0.125℃，用戶可根據(jù)自身不同的需求選擇不同的分辨率。

1.5 稱重傳感器及TX711稱重模塊

所使用稱重傳感器由一個(gè)彈簧元件組成，在該彈簧元件上已放置了應(yīng)變儀，彈簧元件通常由鋼或鋁制成，鋼在載荷作用下發(fā)生輕微變形，隨后會(huì)返回到其初始位置，對(duì)每種載荷都具有彈性。稱重傳感器將諸如張力、壓力或扭矩之類的力轉(zhuǎn)換為可測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)化的電信號(hào)，隨著施加到稱重傳感器上的力增加，電信號(hào)按比例變化用于測(cè)量重量。稱重傳感器放大器是基于HX711的小型分線板模塊，可讓讀取稱重傳感器以測(cè)量重量，通過將放大器模塊連接到微控制器讀取稱重傳感器的電阻變化，并且通過一些校準(zhǔn)，可以獲得非常準(zhǔn)確的重量測(cè)量值。HX711使用兩線接口(時(shí)鐘和數(shù)據(jù)）進(jìn)行通信，任何微控制器的GPIO引腳都可以連接，并且已經(jīng)編寫了許多庫，可以輕松地從HX711讀取數(shù)據(jù)。在智能魚缸上使用上述兩種傳感器，將所需微量元素和飼料分別放入定量盒內(nèi)，通過所使用的定量盒質(zhì)量的減少量來控制加入微量元素的質(zhì)量，通過增加此設(shè)置可以做到魚缸內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)，同時(shí)也可以進(jìn)行飼料的定量投放，此精細(xì)化管理有利于魚類飼養(yǎng)的整體調(diào)控。

2 智能魚缸的硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 進(jìn)水部分

進(jìn)水部分的設(shè)計(jì)主要是由靜音水泵和水管組成，靜音水泵主要負(fù)責(zé)整體水循環(huán)部分的使用，在工作的同時(shí)可以營造安靜的環(huán)境，讓人和魚兒免受噪聲打擾。水管的進(jìn)水口接家用凈化水和水循環(huán)水路的出口部分，在滿足使用的同時(shí)可以節(jié)約能源的消耗。此部分設(shè)置主要實(shí)現(xiàn)智能魚缸無噪聲式進(jìn)水操作。

2.2 水溫調(diào)節(jié)部分

水溫調(diào)節(jié)部分主要由單獨(dú)缸體和加熱絲組成，相較于其他魚缸直接將加熱部分和魚兒放置在一起的設(shè)計(jì)，采用將加熱部分分隔出來的方法，此舉主要為避免加熱區(qū)域水溫過高、整體水溫差別較大以至于魚兒死亡，實(shí)現(xiàn)在溫度過低到不適于魚兒生長的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)加熱至適宜水溫。

2.3 檢測(cè)調(diào)試部分

檢測(cè)調(diào)試部分主要是每隔一段時(shí)間系統(tǒng)對(duì)魚缸內(nèi)多種成分進(jìn)行檢測(cè)及分析，并結(jié)合所養(yǎng)魚類，將魚缸環(huán)境調(diào)節(jié)成最適合魚兒生長的狀態(tài)，同時(shí)結(jié)合傳感器部分檢測(cè)魚餌情況，進(jìn)行魚兒的補(bǔ)充。針對(duì)不同種類的魚對(duì)環(huán)境要求的不同，此部分包含鹽含量傳感器，pH值測(cè)量傳感器等一系列專用傳感器進(jìn)行魚缸環(huán)境檢測(cè)，得到檢測(cè)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)反饋，進(jìn)行元素的調(diào)整以適用于魚兒的生長。

2.4 水循環(huán)部分

水循環(huán)部分主要由過濾系統(tǒng)和水泵組成，過濾系統(tǒng)將出水口的水進(jìn)行過濾處理，主要是去除魚類糞便等其他物質(zhì)，凈化完畢后再由出水口水泵和水管傳輸給進(jìn)水處，檢測(cè)此部分水質(zhì)是否達(dá)到繼續(xù)使用的條件，若符合繼續(xù)使用將該部分水繼續(xù)循環(huán)利用。該部分可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能魚缸的水利用、水管理。

3 智能魚缸的全自動(dòng)化

3.1 控制自動(dòng)化

本項(xiàng)目的智能魚缸是一款適用于所有人群的家用智能魚缸，全自動(dòng)設(shè)計(jì)操作具有多種功能，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換水，適宜環(huán)境調(diào)節(jié)，同時(shí)對(duì)于能源的利用更加充分，避免一些不必要的浪費(fèi)，更加符合社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展觀［5］。該智能魚缸通過ESP8266 01S WiFi模塊控制實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)手機(jī)通信，利用手機(jī)設(shè)置或自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)行定時(shí)喂食控制，用戶可使用手機(jī)遠(yuǎn)程控制，可以查看魚缸內(nèi)的情況，該設(shè)計(jì)可節(jié)約人工管理的煩瑣，將被動(dòng)的管理轉(zhuǎn)化為宏觀的控制，在人員不在的狀況下，根據(jù)監(jiān)控來查看魚兒生長情況，在特殊情況下可以進(jìn)行供養(yǎng)和照明等設(shè)備的啟動(dòng)和停止，也可達(dá)到節(jié)能效果，隨時(shí)隨地隨處自動(dòng)化管理［6］。

3.2 調(diào)節(jié)自動(dòng)化

智能魚缸可實(shí)現(xiàn)水循環(huán)，環(huán)境檢測(cè)且調(diào)節(jié)平衡，加熱，溫度維持，當(dāng)濁度測(cè)量超過閥值開始報(bào)警并且自動(dòng)進(jìn)水，可實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度，自動(dòng)定時(shí)補(bǔ)氧控制，對(duì)于大型水族館，智能魚缸的自動(dòng)調(diào)節(jié)管理可以節(jié)約多量人力，對(duì)于普通家庭，智能魚缸的自動(dòng)調(diào)節(jié)管理可以提升普通家庭居家養(yǎng)魚的科學(xué)性。對(duì)于個(gè)人需求的小型魚缸，智能魚缸的自動(dòng)調(diào)節(jié)管理可解決繁瑣的清潔管理，也可解決家庭養(yǎng)魚過程的管理工作，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，簡化人工勞作，在企業(yè)大型規(guī)模場所，可大大減少工作量［7］。

4 工作過程分析

本文所述魚缸控制結(jié)構(gòu)工程如圖1所示，圖中各部分名稱如下：1、骨架；2、出水管；3、水泵；4、加熱箱；5、加熱絲；6、控制盒；7、溫度和水質(zhì)傳感器；8、凈化箱；9、進(jìn)水管；10、投食器；11、定量盒；12、氧氣泵；13、連通管；14、警示燈。

圖1 魚缸控制結(jié)構(gòu)

5 結(jié)構(gòu)分析

魚缸控制結(jié)構(gòu)包括骨架1，所述的骨架1下方設(shè)有照明燈，骨架1上設(shè)有加熱箱4和凈化箱8，加熱箱4內(nèi)設(shè)有水泵3和加熱絲5，凈化箱8內(nèi)設(shè)有過濾隔板，凈化箱8與進(jìn)水管9連接，加熱箱4與出水管2連接，加熱箱4和凈化箱8通過底部的連通管13連接，骨架1上設(shè)有定量盒11，加熱箱4和凈化箱8之間設(shè)有氧氣泵12，連通管13上設(shè)有溫度和水質(zhì)傳感器7，骨架1上設(shè)有警示燈14，凈化箱8內(nèi)設(shè)有水泵3，凈化箱8內(nèi)的水泵3的進(jìn)水口穿過凈化箱8的下底板，以吸取魚缸內(nèi)的水，凈化箱8內(nèi)的水泵3的排水口在凈化箱8內(nèi)的過濾隔板上方，控制盒6與加熱絲5、溫度和水質(zhì)傳感器7、水泵3連接。定量盒11和骨架1通過卡扣固定；所述的加熱箱4和凈化箱8之間還設(shè)有投食器10；所述的定量盒11位透明材質(zhì)，定量盒11上設(shè)有刻度線。

使用時(shí)將下部分全部浸入水中，并通過魚缸上的固定托架固定骨架1，使氧氣泵12下方的輸氧部分沒入水中。進(jìn)水管9接水管，自來水通過進(jìn)水管9進(jìn)入到凈化箱8內(nèi)進(jìn)行初步過濾，隨后水經(jīng)凈化箱8與加熱箱4底部的連通管13進(jìn)入到加熱箱4內(nèi)，加熱絲5將水溫加熱到指定溫度后停止加熱，再由加熱箱4內(nèi)的水泵3排到魚缸中。當(dāng)在使用過程中水的加熱則通過凈化箱8內(nèi)的水泵3抽到凈化箱8內(nèi)，進(jìn)行重復(fù)過濾后，再排到加熱箱4加熱，最后在排到魚缸，這樣便可以減少在養(yǎng)魚過程中的換水次數(shù)，并且可以將水的加熱部分和魚分開。當(dāng)水質(zhì)傳感器檢測(cè)到水質(zhì)不合格后，警示燈14提示換水，此時(shí)需要將凈化箱8內(nèi)的過濾隔板拆下來進(jìn)行沖洗，并同時(shí)清空魚缸內(nèi)的水換水。這樣便可減少在養(yǎng)魚過程中的換水次數(shù)。定量盒11的刻度線可以控制魚缸的鹽用量，并且可以量水質(zhì)穩(wěn)定劑的用量。投食器10進(jìn)行投食，氧氣泵12進(jìn)行供養(yǎng)。過濾隔板安裝在凈化箱8內(nèi)的安裝槽內(nèi)，照明燈可以提高魚缸內(nèi)的照明。

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)具有多種創(chuàng)新性。加熱絲加熱進(jìn)水方式：與其他魚缸直接將加熱棒放入魚缸內(nèi)加熱相比，采用加熱絲先加熱水至適宜條件，后將加熱完畢的水通過水泵注入魚缸，這樣可以的設(shè)計(jì)方式可以降低水溫的變化對(duì)魚類的產(chǎn)生影響；微量元素傳感器：利用微量元素傳感器，設(shè)計(jì)了全新的微量元素檢測(cè)系統(tǒng)，通過傳感器的分析，將魚缸內(nèi)缺少的微量元素通過微量元素定量盒進(jìn)入水管，然后通過水泵進(jìn)入魚缸；氧氣供應(yīng)方式：采取底部氣泵供氧，氣泵放置在底部，在氧氣供應(yīng)的同時(shí)還可以帶動(dòng)水的流動(dòng)，將上述微量元素和熱水更快更均勻地分散于魚缸中。

隨著魚缸產(chǎn)品迅猛發(fā)展，魚缸市場的需求缺口也極大地推動(dòng)了國內(nèi)外各種魚缸控制設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)，用智能魚缸代替普通魚缸大勢(shì)所趨，該智能魚缸在基本養(yǎng)魚護(hù)理方面較為健全，在市場逐漸改變其形狀以便適應(yīng)空間需求來達(dá)到人們對(duì)物質(zhì)文化生活的需求，現(xiàn)在的智能魚缸普遍存在網(wǎng)絡(luò)化程度不高、對(duì)水族環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控能力不強(qiáng)等缺點(diǎn)，在智能魚缸的設(shè)置方面還有較大完善空間。