基于STM32智能魚(yú)塘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)得到了大幅度的發(fā)展。在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中，魚(yú)塘養(yǎng)殖占比較大，因此智能魚(yú)塘研究成為漁業(yè)信息化發(fā)展的重要趨勢(shì)。為此，設(shè)計(jì)了一種新型智能魚(yú)塘控制系統(tǒng)。系統(tǒng)基于STM32核心控制器，借助ESP8266芯片連接到后臺(tái)的通信服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；還能通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行命令操作，這不僅實(shí)現(xiàn)了智能魚(yú)塘的控制，也為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的魚(yú)類養(yǎng)殖提供了更便捷、更優(yōu)質(zhì)的解決方案。

關(guān)鍵詞：智能魚(yú)塘；ESP8266；溫度檢測(cè)；WiFi遠(yuǎn)程控制；節(jié)能環(huán)保；STM32

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）07-0-03

0 引 言

智能魚(yú)塘的研究融合了現(xiàn)代科技與漁業(yè)管理的創(chuàng)新理念，旨在提升養(yǎng)殖效率、減少資源浪費(fèi)，并實(shí)現(xiàn)漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1-3]。隨著全球人口增長(zhǎng)，對(duì)海產(chǎn)品的需求不斷增加，傳統(tǒng)漁業(yè)面臨著過(guò)度捕撈、環(huán)境污染和資源枯竭等挑戰(zhàn)。在此背景下，智能魚(yú)塘作為一種創(chuàng)新方式應(yīng)運(yùn)而生，其能夠有效解決這些問(wèn)題，提高漁業(yè)的可持續(xù)性。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的飛速發(fā)展為智能漁業(yè)提供了新的機(jī)遇。研究人員可以利用這些技術(shù)設(shè)計(jì)智能魚(yú)塘系統(tǒng)，對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境、魚(yú)群行為等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。智能魚(yú)塘可通過(guò)收集大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分析，從而更好地掌握魚(yú)類行為與健康狀況，進(jìn)而提供精確的管理建議和決策支持。智能魚(yú)塘系統(tǒng)的引入可以有效減少資源浪費(fèi)，通過(guò)智能調(diào)控水質(zhì)、餌料投放等，減輕養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。智能魚(yú)塘系統(tǒng)有望提高養(yǎng)殖效益，借助精細(xì)管理、智能預(yù)測(cè)等方式，提升魚(yú)類的生長(zhǎng)速度、品質(zhì)和產(chǎn)量，進(jìn)而增加農(nóng)民收益[4]。

智能魚(yú)塘的實(shí)施涉及多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，如信息技術(shù)、生態(tài)學(xué)、水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)等。智能魚(yú)塘利用各種傳感器監(jiān)測(cè)魚(yú)塘的水質(zhì)、溫度、溶解氧、水流速等關(guān)鍵參數(shù)，這些傳感器提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能為決策制定和管理提供科學(xué)依據(jù)?？傮w而言，智能魚(yú)塘研究的目的在于將現(xiàn)代科技與漁業(yè)管理相結(jié)合，推動(dòng)漁業(yè)朝著更加智能、高效和可持續(xù)的方向發(fā)展。其科學(xué)性體現(xiàn)在綜合應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)并進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)提高養(yǎng)殖效率、保護(hù)環(huán)境、獲取經(jīng)濟(jì)效益和達(dá)成社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的綜合目標(biāo)[5-8]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由STM32F103C8T6單片機(jī)核心板、OLED液晶屏、超聲波測(cè)距儀、溫度傳感器、渾濁度傳感器、繼電器、水泵、加熱棒、舵機(jī)、蜂鳴器、ESP8266 WiFi模塊等組成，且具備APP遠(yuǎn)程控制功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

（1）液晶顯示

單片機(jī)通過(guò)I2C接口（PB6、PB7）與OLED12864液晶顯示屏（SCL、SDA）連接，驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示數(shù)據(jù)和閾值。

（2）DS18B20溫度傳感器

DS18B20溫度傳感器是單總線接口，把數(shù)據(jù)端接到單片機(jī)的PB9管腳，通過(guò)傳感器協(xié)議讀取溫度值。

（3）渾濁度傳感器

渾濁度傳感器的輸出模電壓會(huì)隨水質(zhì)渾濁度的增加而增大。單片機(jī)利用模擬量采集管腳PA1采集渾濁度傳感器輸出的電壓值，之后通過(guò)計(jì)算將0～Vcc電壓轉(zhuǎn)換為0～100%的渾濁度。

（4）超聲波測(cè)距

該超聲波模塊為模擬量輸出，其0～5 V電壓對(duì)應(yīng)著0～300 cm的測(cè)量距離。單片機(jī)經(jīng)由AD0通道的PA0端口采集超聲波數(shù)據(jù)的模擬量電壓，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)換為距離值。

（5）蜂鳴器驅(qū)動(dòng)控制

當(dāng)蜂鳴器連接5 V電源并接地時(shí)便會(huì)發(fā)聲。其中，1 kΩ電阻起限流作用。單片機(jī)可通過(guò)控制PA7管腳輸出高低電平來(lái)控制蜂鳴器發(fā)聲。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平1時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器接地從而發(fā)聲；而當(dāng)輸出低電平0時(shí)，三極管截止不導(dǎo)通，蜂鳴器未接地也就不會(huì)發(fā)聲。

（6）ESP8266 WiFi模塊

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透?jìng)髂K，屬于串口控制模塊。單片機(jī)通過(guò)串口1（PA9和PA10）與該WiFi模塊通信，以控制其工作。其工作流程如下：首先，WiFi模塊上電后自動(dòng)連接熱點(diǎn)；接著，連接服務(wù)器的IP地址，并通過(guò)MQTT協(xié)議登錄服務(wù)器，同時(shí)訂閱APP（只有訂閱了才能接收到APP下發(fā)的信息）。之后，單片機(jī)會(huì)定時(shí)以MCU身份將數(shù)據(jù)發(fā)布到MQTT服務(wù)器，若APP已訂閱了MCU設(shè)備，服務(wù)器在接收到單片機(jī)上傳的數(shù)據(jù)后，會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到APP顯示。反之，APP下發(fā)數(shù)據(jù)的過(guò)程也是如此。

（7）按鍵

單片機(jī)I/O口接按鍵，按鍵按下時(shí)引腳接地，I/O口讀取到低電平0；按鍵松開(kāi)時(shí)，由于單片機(jī)有內(nèi)置上拉電阻，I/O口讀取到高電平1。其他兩個(gè)按鍵原理一樣。

（8）繼電器插座驅(qū)動(dòng)控制

繼電器模塊的線圈通電時(shí)，KJ6觸點(diǎn)就會(huì)吸合；線圈斷電時(shí)，觸點(diǎn)則斷開(kāi)。其中，1 kΩ電阻起到限流作用。單片機(jī)通過(guò)控制PC13管腳輸出高低電平，以此來(lái)控制繼電器的斷開(kāi)與閉合。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平1時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，觸點(diǎn)閉合；當(dāng)輸出高電平0時(shí)，繼電器線圈不得電，觸點(diǎn)斷開(kāi)。

3 軟件設(shè)計(jì)

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）通信協(xié)議被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和各類分布式系統(tǒng)中。它是一種輕量級(jí)、高效的通信協(xié)議，其設(shè)計(jì)理念為提供可靠的消息傳遞機(jī)制，尤其適用于在低帶寬、高延遲、不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的設(shè)備間通信中[9]。

MQTT運(yùn)用發(fā)布/訂閱模式。在該模式下，設(shè)備能夠?qū)⑾l(fā)布至特定主題（topic），其他設(shè)備則可訂閱這些主題來(lái)接收相關(guān)消息。這種解耦式設(shè)計(jì)讓系統(tǒng)更具靈活性，使設(shè)備在不直接通信的情形下也能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交換。

協(xié)議本身的輕量級(jí)特性使得其在資源受限的設(shè)備上運(yùn)行效率高，消息頭部信息較小，通信開(kāi)銷(xiāo)較低。這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)等資源有限的環(huán)境至關(guān)重要。

MQTT支持三個(gè)服務(wù)質(zhì)量等級(jí)（QoS），分別是至多一次（QoS0）、至少一次（QoS1）和恰好一次（QoS2），開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求進(jìn)行靈活配置，以確保消息的可靠性和及時(shí)交付。

持久會(huì)話和遺囑消息是MQTT的重要特性。持久會(huì)話允許客戶端保留其訂閱狀態(tài)，即使在重新連接時(shí)也能夠繼續(xù)接收消息。遺囑消息則允許設(shè)備在離線時(shí)向其他訂閱者發(fā)送預(yù)定義的消息，從而有效處理設(shè)備異常斷開(kāi)連接的情況。

安全性是MQTT協(xié)議的重要關(guān)注點(diǎn)之一。該協(xié)議通過(guò)支持SSL/TLS加密協(xié)議，確保消息傳輸過(guò)程中的保密性。同時(shí)，MQTT還提供用戶名和密碼的身份驗(yàn)證機(jī)制，并且利用訪問(wèn)控制列表（ACL）限制客戶端的訪問(wèn)權(quán)限，以此保障通信的安全性。

MQTT以其簡(jiǎn)潔、高效、靈活和可靠的特性，成為連接分布式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的首選協(xié)議之一，實(shí)現(xiàn)了各種應(yīng)用場(chǎng)景中設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)交換。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試與結(jié)果分析

所設(shè)計(jì)的智能魚(yú)塘系統(tǒng)具有多種功能，包括超聲波測(cè)距功能、定時(shí)喂食功能、溫度檢測(cè)與加熱功能、渾濁度測(cè)量與自動(dòng)換水功能、WiFi遠(yuǎn)程控制功能、閾值報(bào)警功能、按鍵控制換水和喂食等功能。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）將水泵、溫度傳感器、加熱器（禁止隔水加熱）放入水中；

（2）將手機(jī)熱點(diǎn)設(shè)為系統(tǒng)所設(shè)定的名稱和密碼；

（3）在下載的APP中按要求填寫(xiě)登錄信息，如圖2所示；

（4）將開(kāi)發(fā)板通過(guò)USB線與手機(jī)連接，給開(kāi)發(fā)板上電后重新登錄，液晶顯示屏?xí)霈F(xiàn)數(shù)據(jù)，此時(shí)APP將顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，并且可通過(guò)手機(jī)控制實(shí)物，如圖3所示。

智能魚(yú)塘系統(tǒng)是一個(gè)前景廣闊的農(nóng)業(yè)科技項(xiàng)目[10]，它利用現(xiàn)代信息技術(shù)和智能化手段對(duì)傳統(tǒng)魚(yú)塘養(yǎng)殖進(jìn)行管理和優(yōu)化。該項(xiàng)目的可行性可從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性、環(huán)境可行性、市場(chǎng)可行性以及風(fēng)險(xiǎn)管理這五個(gè)方面來(lái)分析。

（1）技術(shù)可行性

基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)可通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)水質(zhì)（如溫度、酸堿度、溶解氧等）、魚(yú)群健康狀況以及環(huán)境變化。

數(shù)據(jù)處理與智能分析方面，利用大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而優(yōu)化養(yǎng)殖策略。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)喂食、水質(zhì)調(diào)節(jié)、疾病預(yù)防與控制等功能。

（2）經(jīng)濟(jì)可行性

成本：初期投資包括智能化設(shè)備、系統(tǒng)搭建和人員培訓(xùn)成本。

效益：長(zhǎng)期來(lái)看，智能魚(yú)塘可以提高魚(yú)類生長(zhǎng)速度，降低疾病風(fēng)險(xiǎn)，減少人力成本，提高整體經(jīng)濟(jì)效益。

（3）環(huán)?？尚行?/p>

可持續(xù)發(fā)展：智能魚(yú)塘有助于更有效地使用資源，減輕對(duì)環(huán)境的影響，促進(jìn)生態(tài)平衡。

環(huán)保規(guī)范：符合當(dāng)?shù)丨h(huán)保法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。

（4）市場(chǎng)可行性

市場(chǎng)需求：隨著生活水平的提高，人們對(duì)高質(zhì)量水產(chǎn)品的需求增加。

政策支持：很多國(guó)家和地區(qū)鼓勵(lì)利用現(xiàn)代科技手段提升農(nóng)業(yè)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

公眾接受度：公眾對(duì)智能魚(yú)塘和可持續(xù)養(yǎng)殖的認(rèn)知和接受度不斷提高。

（5）風(fēng)險(xiǎn)管理

技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)：技術(shù)故障或不穩(wěn)定可能導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。

市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)：市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)、消費(fèi)者偏好變化等。

自然風(fēng)險(xiǎn)：如極端天氣、自然災(zāi)害等。

綜上所述，智能魚(yú)塘項(xiàng)目在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)和市場(chǎng)等多方面均具有可行性，但同時(shí)也需要注意風(fēng)險(xiǎn)管理和持續(xù)優(yōu)化。項(xiàng)目實(shí)施應(yīng)結(jié)合具體條件和資源，進(jìn)行周密規(guī)劃和適當(dāng)調(diào)整。

5 結(jié) 語(yǔ)

智能魚(yú)塘是一種利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器、數(shù)據(jù)分析和自動(dòng)化控制等技術(shù)手段，對(duì)魚(yú)塘進(jìn)行監(jiān)測(cè)、管理和優(yōu)化的系統(tǒng)。它在魚(yú)類養(yǎng)殖業(yè)的多個(gè)方面具有諸多優(yōu)勢(shì)：首先，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程管理方面，智能魚(yú)塘能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)塘的水質(zhì)、水溫、溶氧量、pH值等關(guān)鍵參數(shù)以及魚(yú)群的生長(zhǎng)狀況和行為。養(yǎng)殖場(chǎng)主借助智能手機(jī)應(yīng)用或網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可遠(yuǎn)程監(jiān)控魚(yú)塘狀態(tài)，對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和管理，這有助于提高養(yǎng)殖效率和產(chǎn)量。其次，在智能投喂和飼料管理方面，它可以根據(jù)魚(yú)群生長(zhǎng)情況和飼料需求，自動(dòng)控制投喂量和頻率，避免過(guò)度投喂或飼料浪費(fèi)；并且通過(guò)數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)模型，能夠優(yōu)化飼料配比和投喂策略，從而降低養(yǎng)殖成本，提高養(yǎng)殖效益。再者，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)和治理方面，該系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)防水質(zhì)異常和污染事件，如水體富營(yíng)養(yǎng)化、氨氮超標(biāo)、水體富集有害物質(zhì)等。同時(shí)，利用智能水處理設(shè)備和生物過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)治理和調(diào)節(jié)，以保持魚(yú)塘的良好生態(tài)環(huán)境。另外，在環(huán)境監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方面，智能魚(yú)塘可以集成氣象傳感器和環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)天氣變化、氣溫、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)，及時(shí)預(yù)警并應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害和極端天氣事件，如暴雨、洪澇、干旱等，保障魚(yú)群安全和養(yǎng)殖設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行。最后，在數(shù)據(jù)分析和決策支持方面，通過(guò)采集和分析大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠生成養(yǎng)殖生產(chǎn)的相關(guān)報(bào)告、趨勢(shì)分析和預(yù)測(cè)模型，為養(yǎng)殖場(chǎng)主提供決策支持和優(yōu)化建議，幫助其更好地管理魚(yú)塘，提高養(yǎng)殖效率和經(jīng)濟(jì)效益[10]。

綜上所述，智能魚(yú)塘應(yīng)用前景廣闊，其能有效提升魚(yú)類養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)效率、質(zhì)量并促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展，為養(yǎng)殖場(chǎng)主帶來(lái)更多經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。此外，智能魚(yú)塘還為科研人員提供了重要的數(shù)據(jù)來(lái)源，推動(dòng)了養(yǎng)殖技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。

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收稿日期：2024-05-18 修回日期：2024-06-21