一種基于STM32物聯網家居控制的魚缸監控系統

張勝男 楊榮國

基金項目：武昌工學院校級科研項目“基于只能魚缸的物聯網只能家居控制模式的研究”（2017KY01）。

作者簡介：張勝男（1980-），女，工程師，講師，主要從事自動控制系統研究。

摘 要：本文將家庭魚缸融入整個家居物聯網系統，可靈活應用STM32的接口，根據家庭的需求進行增加或刪除。對于家庭不同的魚類需求，魚缸可根據檢測到的魚的種類進行甄別并在數據庫中搜索相關的環境和喂養參數自行設定。如果特定數據庫中搜索不到，還可以自行進入網絡搜索，并由戶主根據個人的信任度選擇由魚缸自主確認還是稍作修改。

關鍵詞：物聯網;STM32;家庭魚缸

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.12.088

0 引言

德國政府于2010年提出的高科技戰略計劃工業4.0，旨在將物聯信息系統（Cyber-PhysicalSystem簡稱CPS）推入整個工業生產的供應、制造和銷售信息數據化、智慧化。這一計劃的提出使得從工業到生活產品的生產，各個領域都掀起了物聯網技術應用的熱潮。本文介紹了在人們的生活中，水產養殖這一重要行業的物聯網技術應用。

隨著國民家居生活品質的不斷提升，家庭魚缸作為一項基本需求越來越普遍;而萬物互聯技術的不斷成熟，家用智能設備的物聯網控制需求越來越強烈。本文描述一種基于STM32的滿足物聯網家居控制需求的魚缸監控系統，是一種實用的自動化控制技術。

1 設計思路

本文所闡述的設計方案是結合我國日益發達的物聯網家居技術，提出一套融合于物聯網家居測控系統的智能魚缸環境監控系統。現有的智能魚缸可以實現針對特定魚類的魚缸環境的監控，本設計重點是在此基礎上使魚缸監控融合于整個物聯網家居系統，且對于不同的魚類所需的環境參數可以完成智能調節。

現有的物聯網家居技術旨在整合家居環境中的所有設備實現家居環境的整體智能化。但是目前發展不夠完善，魚缸作為并非所有家庭都會具備的設備，很好地實現了個體的自動化控制，家居系統整合和對不同魚類等多種應用的靈活智能化需要提高。

本設計提供一種結合了深度學習的物聯網融合的思路，解決了現有技術中存在的問題。將魚缸的自動控制融入家居物聯網系統，并自動識別魚缸中的魚類對環境監控參數進行智能設定。

本實用新型所采用的技術方案是，采用STM32靈活設置接口，將智能魚缸接入家居物聯網系統，可以通過各種終端進行遠程監控;采用圖像識別技術，對魚類進行鑒別并通過深度學習來匹配相關參數，并且可以設置信任級別，來選擇是否需要人工確定。本實用新型的有益效果是：（1）魚缸可以根據家庭需要靈活選擇物聯網家居系統的接口進行接入;（2）魚缸可以通過圖像識別技術自動識別魚的種類;（3）魚缸可以通過自身數據庫或網絡查詢來匹配相關環境參數;（4）深度學習程序的不斷成熟可以在家庭中不斷提高魚缸的信任度，使魚缸的操作逐步實現完全智能化。

2 工作原理

圖1是系統的原理圖，整個系統的工作可以看作三個功能部分的相互配合。

第一部分：主控部分。通過主控芯片STM32接入家居物聯網系統。其輸入信息主要通過安裝于魚缸頂部的攝像頭進行采集，可以遠程啟停，按需監測魚缸內狀況。通過主控芯片的魚類識別程序對攝像頭采集的魚類信息進行圖像識別，并在數據庫中匹配相關的環境參數;如果數據庫中沒有，可以通過WiFi進行數據搜索，或通過人工操作加入數據庫，增加數據學習的能力，提高識別數據庫的信任度。

第二部分：現場控制數據輸入輸出部分。輸出設備為7寸TFT彩色液晶屏，可實時顯示溶解氧、溫度、PH、TDS、水泵壓力（出水流量）、氣泵流量、OPR傳感器采集的當前數據值及停電、漏水的狀態值和系統時間。輸入控制數據主要通過觸摸屏或按鍵，可以設置溶解氧、溫度、PH、TDS、OPR的報警上下限值以及水泵壓力（出水流量）、氣泵流量的報警閥值及設備的定時時間段。如果某個參數達到報警值，則蜂鳴器報警，同時液晶屏對應位置變紅色，并向指定的手機發送報警短信，用戶通過按鍵可以手動取消報警狀態值。特定的參數達到報警值進行自動換水，根據定時時間進行燈光、殺菌、造流的控制。

第三部分：遠程監控。系統硬件每隔20S將當前傳感器數據值、設置的報警值、傳感器報警狀態、設備工作狀態發送到指定IP的服務器。遠程監控可通過在手機電腦等終端安裝APP，通過軟件操作來實現。點擊終端APP輸入特定的用戶名和密碼。可以進入控制界面，相關參數由硬件系統通過GPRS或WIFI實時監測的魚缸數據傳輸過來，每隔20秒更新一次。如果所接收到的傳感器數據超過設定的值，則有相應的推送信息提示。

通過手機或其他終端可以查看系統的傳感器實時數據、傳感器報警值、傳感器報警狀態以及設備的工作狀態。點擊每個數據后面“曲線”按鈕可以查看指定時間段的曲線。默認顯示10分鐘內的曲線，用戶可以根據自己的需求選擇查看1個小時、3個小時、12個小時、3天等時間段的數據。點擊APP控制界面相關參數設置按鍵，可以遠程操作相應硬件設備。服務器需要每隔1分鐘發送一次按鈕的狀態信息給服務器，并可以在每次收到數據時返回按鈕當前的數據狀態。

3 系統介紹

圖2是系統控制板實物圖。控制板主要包括：主控芯片、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信號采集電路、通信電路。

其主控單片機為STM32F103ZET6，144個引腳封裝。接口設備TFT觸摸屏采用7寸并口觸摸屏。電源分別采用24V和12V直流開關電源。

換水電路中水流量計采用SY-201脈沖式水流量計，氣流量計采用SY-201脈沖式氣流量計;其中停電、水位和漏水信息都采用開關信號模式。

控制電路中溫度傳感器采用TC10K 3950模擬溫度計，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信號采集。

進水、出水球閥控制由12V、300mA直流電機控制;進水、補水電磁閥采用12V、500mA直流電磁閥;水泵電壓12V。

設備控制采用220V繼電器。220V的交流控制設備由繼電器完成開/關控制，結合控制邏輯實現定時時間段等的控制。網絡通信采用SIM900A 3G網絡設備。

4 實驗成果

系統已完成實物制作，并批量生產，圖3為試驗投產前的換水系統。當進水的水流測量值轉換的頻率值衰減至90%，液晶屏相應位置的背景色變為紅色，此時為換水系統一級報警;衰減至80%;液晶屏背景色變為紅色的同時，聲光報警，此為二級報警;當出水口壓力衰減至50%以下，系統默認水泵停止工作，此時液晶屏背景色變為紅色，聲光報警發同時短信報警，提示水泵抽空或停止工作，為三級報警。

氣泵工作情況相似。氣泵流量頻率值衰減到90%時液晶屏相應位置背景色變為紅色，為一級報警;衰減到80%時液晶屏背景色變為紅色，聲光報警，二級報警;出口流量衰減到30%以下時系統默認為氣泵停止工作，此時液晶屏背景色變為紅色、聲光報警、短信報警，提示氣泵停止工作或嚴重漏氣，產生三級報警。

在系統設定的換水時間，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自動換水程序。系統先排水，直至排水量達到設定值或低于下限水位，啟動加水程序，至水位高于上限水位，則停止加水。

如用戶設置的換水量不足，且引起pH值下降至設定下限、TDS值上升至設置上限時，會短信提醒用戶進行手動換水，或提高每日換水量設定值。

當系統檢測到溫度值低于設置的下限值或高于上限值，則液晶屏對應的背景變為紅色，同時給出聲光報警、短信提示溫度過低或過高，溫度過低則啟動升溫設備工作，溫度過高則啟動降溫設備工作。

系統檢測到溶解氧含量低于設置的下限值或高于上限值，則液晶屏對應的背景色變為紅色，同時給出聲光報警、短信提示溶解氧溶度過低或過高。

當檢測的pH值、TDS值、OPR值低于設置的下限值或高于設置的上限值時，則液晶屏對應的背景色變為紅色，同時給出聲光報警、短信提示。系統檢測到缺水、停電或漏水，都會啟動相應的報警程序。

參考文獻

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