一種基于物聯網技術的智能魚缸養殖系統設計

張秋晶 林旭珠 邱金波 吳潔華

（廣東石油化工學院電子信息工程學院，廣東 茂名525000）

1 概述

近年來，隨著科學技術的快速進步和經濟的發展，人們的消費理念和以前大不相同，對物質和精神生活質量的要求也越來越高，智能魚缸作為一種智能化產品，受到了廣大群眾的熱愛。智能魚缸養殖系統是利用物聯網技術、傳感器技術和計算機處理技術發展起來的一種現代科學養殖新模式。

2 智能魚缸養殖系統的設計方案

本系統以STM32F103 單片機為控制核心，結合嵌入式技術、傳感器技術和Android 開發等技術設計出滿足功能的智能魚缸養殖系統。智能魚缸養殖系統有多個子系統，包括智能溫控系統、智能酸堿系統、自動換水系統、自動供氧系統、自動喂食系統、自動照明系統和顯示系統，集多個子系統于一體。系統通過WiFi 模塊連入移動終端，實現遠程監控魚缸的溫度、酸堿度、換水、供氧、投食、照明。系統功能框架圖如圖1 所示。

3 智能魚缸養殖系統的硬件模塊設計

3.1 MCU 主控設計

本系統采用把STM32F103C8T6 作為主控芯片，它的主要作用是處理接收到的數據，而它的外圍組成包括WiFi 模塊、傳感器模塊、驅動模塊、顯示模塊等。通過傳感器模塊采集到的數據返回到主控芯片來控制相應的驅動模塊，包括水泵、水龍頭、步進電機、加熱棒、加氧器、燈光、顯示屏，檢測魚缸狀態顯示在屏幕上并傳送給WiFi 模塊，傳輸到移動終端。STM32F103C8T6 是一款基礎型、低功耗的微控制器，其主頻可達72MHz，內置64K閃存，并具有時鐘、復位和電源管理功能[1]。

3.2 溫度傳感器模塊設計

采集溫度數據利用DS18B20 模塊進行采集，DS18B20 溫度傳感器是一種數字式溫度傳感器。它具有以下幾大特性：溫度傳感器結構簡單，測試溫度時不需要任何外部元器件；測溫范圍廣，最低可測到-55℃，最高可測到+125℃；輸出信號為數字信號[2]。DS18B20 模塊電路圖如2 所示。

3.3 PH 值傳感器模塊設計

PH 值數據利用雷磁E-201-C 型復合電極模塊進行采集。用于測量溶液的PH 值，它由三個電極：參比電極、指示電極和電極溫度組成。參考電極、指示電極和溶液形成原電池，通過測量電極之間的電位差，可以檢測出溶液中氫離子的濃度，最終測量出液體的PH 值[3]。PH 值傳感器模塊電路圖如圖3。

圖1 系統功能框架圖

圖2 DS18B20 模塊電路圖

圖3 PH 值傳感器模塊電路圖

3.4 水位傳感器模塊設計

水位值數據利用水位傳感器模塊進行采集。該水位傳感器是由三極管跟幾條梳狀的PCB 走線構成的放大電路，其中梳狀的PCB 走線在水中呈現出一個隨水的深度變化而變化的電阻，由此將水的深度信號轉換成電信號，再通過STM32 的模數轉換功能得知水位數據。水位傳感器的電路圖如圖4 所示。

圖4 電源供電方案

3.5 光敏電阻傳感器模塊

光敏傳感器是利用光敏電阻將光信號轉換為電信號的傳感器，其電阻值隨著落在其上的光強度的增加而減小。光敏電阻傳感器模塊原理圖如圖5 所示。

圖5 光敏電阻傳感器模塊原理圖

4 智能魚缸養殖系統軟件設計

4.1 總體軟件設計方案

上位機軟件設計中系統內各個模塊的初始化都是由軟件主程序完成的，同時它也實現對各個功能子模塊的調用，包括通信模塊、驅動模塊和采集檢測模塊。APP 軟件設計是利用Socket網絡編程實現手機與單片機WIFI 模塊的通信，讓客戶端與服務端處在同一局域網下，規定雙方通信的端口號，設置客戶端的IP 地址，雙方進行連接。設置APP 的按鈕控件，調用數據的輸入輸出流方法來實現數據的接收與發送；文本控件在接收到數據時將數據顯示出來。

4.2 主程序設計流程

主程序模塊主要是完成控制系統內各種部件的初始化，以及實現對各類功能子模塊的調用，涵蓋初始化、通信模塊跟采集模塊，系統軟件主程序根據傳感器采集到的數據及系統設置的參數值對相關驅動進行調節。

智能魚缸養殖系統的主程序流程為：

4.2.1 系統的初始化，包括硬件初始化和軟件初始化；

4.2.2 對魚缸中的環境參數進行采集，獲取各種環境參數，根據系統設定的值和獲取環境參數的值進行調節相應的驅動，使魚缸中的環境能夠滿足魚的生長；

4.2.3 利用WiFi 將單片機與手機互聯網相連，通過手機APP 可以對各個參數進行設置，包括換水時間、喂食時間、溫度值、水位值及PH 值；

根據傳感器實際采集檢測的情況處理，然后在LCD 顯示，LCD 有兩種顯示界面：一種顯示界面顯示當前測到的值，另外一種是設置參數界面，參數設置界面是通過手機APP 控制，可以手動設置魚缸中的參數。

5 結論

本次設計以STM32 芯片作為主控模塊，通過傳感器模塊采集到的數據返回到主控芯片來控制相應的驅動模塊檢測魚缸狀態顯示在屏幕上并傳送給WiFi 模塊，傳輸到移動終端。在研究設計過程中，對系統的各個需求進行深度探討研究，細化到每個硬件模塊的具體構成、芯片的正確選擇、電路的穩定性設計等等，還有軟件程序的邏輯性分析和軟件執行的合理性設計。