基于4G的物聯魚缸系統設計

梁順可 黃志明 徐奕森 劉雷業 李弘輝

（廣州城市理工學院，廣州 510800）

隨著信息技術的不斷發展，智能化裝置進入人們的視野。高效、可靠、方便的智能化裝置，在生產生活中的應用越來越廣泛，給人們帶來了諸多便利，同時在軍事、交通、家居、農業以及經濟等領域表現出巨大的發展潛質[1]。為了使喜愛觀賞魚的人群既能享受觀賞魚帶給自己歡樂，又能節約打理、照顧觀賞魚的時間，本文設計了一種物聯魚缸。此物聯魚缸可以實時監控魚缸的水溫、水質，還可以遠程投喂魚料，實現加熱、過濾等功能，大大節約了飼養人的管理時間，具有很大的市場價值和發展前景。

1 系統的總體方案設計

圖1為整個物聯魚缸系統的設計框圖，主要由主控模塊、控制部分、監控部分、無線模塊、服務器和App共6個部分組成。整個系統采用模塊化開發，可自由增減模塊。當系統中某個模塊發生故障后，無需拆解整個系統，只需替換發生故障的模塊即可，極大地方便了后期維護。

圖1 系統設計框圖

2 系統的硬件設計

2.1 主控模塊的設計

系統的主控模塊芯片選用以ARM為內核的STM32F 103C8T6。該芯片具有高性能、高集成度、多IO口等特點，能快速處理系統的實時數據[2]。其中，芯片的多IO口特點方便在后期對系統增加其他的功能。

2.2 無線模塊的設計

無線模塊作為人機交互的重要組件，穩定性顯得極為重要。此系統中的無線模塊選用穩定性高的4G模塊EC20，可以使物聯魚缸在無WiFi的環境中也能夠正常使用。EC20通過串口與主控模塊連接，主控模塊發送AT指令進行配置。EC20為透傳模式，通過MQTT協議實現數據交互。

2.3 監控部分的設計

監控部分由水質傳感器和水溫傳感器組成。水質傳感器選用TDS傳感器，通過檢測水中的溶解性固體總量判斷水質的好壞。水溫傳感器選用DS18b20傳感器，體積小、測量精度高、測量范圍-55～+125 ℃，滿足系統測溫的需要[3]。

2.4 控制部分的設計

控制部分由過濾模塊、加熱模塊和喂食模塊組成。過濾模塊和加熱模塊分別由過濾器和加熱棒構成，由單片機控制繼電器來控制其是否工作。圖2為喂食模塊的側剖機構圖。整個喂食機構可分為兩部分，一部分為儲食機構，另一部分為出食機構。儲食機構由儲食箱和頂蓋組成。儲食箱整體為一個類似漏斗形的四方錐體。四邊采用傾斜的角度，使得在儲食箱四周的食物能夠在重力的作用下滑到儲食箱的出口。儲食箱上方增加了頂蓋，具有防潮功能，可以緩解食物的受潮霉變。出食機構由出食底座、步進電機、電機夾以及出食撥片組成，如圖3所示。出食底座上安裝有一個步進電機，電機夾將出食底座和步進電機固定在一起，避免了電機的偏移。步進電機上有一出食撥片。儲食箱出口的食物落下出食底座上。當需要喂食時，步進電機會根據喂食的多少控制出食撥片旋轉的角度，從而將食物送到出食口。出食口前食物會在具有一定角度的斜坡滑下，

圖2 喂食模塊側剖機構

圖3 出食底座

避免食物的堆積和堵塞。

3 系統軟件的設計

3.1 系統硬件程序的設計

系統上電模塊初始化后，程序的流程如圖4所示。STM32F103C8T6通過TDS、DS18s20傳感器實時獲取水質、水溫，并通過EC20將數據上傳到服務器，可用App查看到實時數據。App下發的命令經過服務器由EC20獲取。STM32F103C8T6根據命令執行喂食、過濾以及加熱等相應的功能[4]。

圖4 程序流程圖

3.2 App的設計

App作為人機交互的軟件，用于查看系統的重要數據和下發命令。此系統的App界面如圖5和圖6所示。可以在App設定目標溫度范圍、目標水質范圍，當超出范圍就執行加熱或者過濾。喂食可根據飼養量喂食相應的量[5]。

4 結語

本文基于4G對系統的硬件、軟件和機構進行設計，完成了可以實時監控水質、水溫和遠程控制的物聯魚缸系統。此系統節約了用戶在飼養觀賞魚的打理時間，滿足了用戶需求，有良好的市場價值。

圖5 App界面示意圖一

圖6 App界面示意圖二