基于STM32的智能魚缸設計

盧佳妮，趙心瑜，呂 利

（臨沂大學，山東 臨沂 276000）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，居住、工作環境的生動化，溫馨化與人的精神、情操、新的生活觀念緊密地聯系在一起，休閑水族行業正是在人類的這種需求下應運而生，巨大的魚缸市場需求也極大地推動了國內外各種魚缸控制設備的研發和生產，本文基于STM32設計研發的智能魚缸可解決魚類飼養的困難，將所有的功能實現全自動化供給。

1 智能魚缸的軟件設計內容

1.1 智能魚缸主控芯片

針對性的采用STM32F103C8T6單片機，該設計該芯片是一款基于ARM Cortex-M內核STM32系列的32位的微控制器，主控芯片高達72 MHz工作頻率，64 K閃存程序存儲器，20 K字節ROM，擁有睡眠、停機和待機模式，VBAT為RTC和后備寄存器供電，可用于時間顯示、結算，3個通用定時器，1個定時器，37個快速IO口，足夠模塊使用，且資料齊全，利于開發，成本低。應用于此控制系統，可以使設計擁有多種模式，在滿足使用的前提下使功能具有多元化，例如在應用睡眠模式時可以解決能源。

1.2 智能魚缸通信設計

基于STM32的智能魚缸是通過ESP8266串口轉WiFi模塊，本著物聯網萬物互聯的趨勢，實現對智能魚缸當前狀態的數據信息實時檢測以及發送指令對智能魚缸實際操控，該模塊將單片機將采集到的溫度、濕度、濁度等情況直接反饋給手機，使用戶可實時監控魚缸動態［1］，用戶也可根據自身需求對魚缸設置自主管理，可實現魚兒的自動化，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

應用的多種傳感器在相互配合、不斷調節下可以保證優秀的水質，而優良的水質能讓魚缸內魚兒的生長保持良好的狀態。基于此，優秀的適宜生長空間是保障魚類的健康成長的必要前提，現階段的多數魚類狀態不佳或者快速死亡的原因大多數是由于飼養者經驗的匱乏，管理魚缸不當，導致水質惡化造成的［3］。

為解決上述問題，本產品基于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型可測量水中的濁度，也就是懸浮物的計數器。

該濁度傳感器是利用光學原理，通過液體溶液中的透光率和散射率來綜合判斷濁度情況。傳感器內部是一個紅外線對管，當光線穿過一定量的水時，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。當濁度是測量水中顆粒物的，需要單片機模擬口讀取進行計算需要濁度校準液來校準，得到該魚缸的渾濁程度，當渾濁程度達到閾值時，智能魚缸則自動報警，進行換水［4］。傳感器內部是一個IR958與PT958封裝的紅外線對管，當光線穿過一定量的水時，光線的透過量取決于所測量的水的污濁程度，水越污濁，透過的光就越少。光接收端把透過的光強度轉換為對應的電流大小，透過的光越多，電流越大，反之透過的光越少，對應的電流越小。基于此，通過測量接收端電流的大小來進行水的污濁程度計算。

1.4 DS18B20測溫模塊

采用DS18B20傳感器進行溫度檢測，同時搭配蜂鳴器進行異常情況的報警處理。該傳感器測溫模塊可適應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據線供電。該傳感器模塊具有獨特的單線接口方式，在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現兩者的雙向通訊，同時支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，實現組網多點測溫，測溫范圍更廣，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，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內，可以有效地減少占用體積；該測溫模塊同時可以保證精度和廣度，測溫范圍在-55℃～＋125℃，在-10℃～＋85℃時精度為±0.125℃，用戶可根據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彈簧元件組成，在該彈簧元件上已放置了應變儀，彈簧元件通常由鋼或鋁制成，鋼在載荷作用下發生輕微變形，隨后會返回到其初始位置，對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換為可測量和標準化的電信號，隨著施加到稱重傳感器上的力增加，電信號按比例變化用于測量重量。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，可以獲得非常準確的重量測量值。HX711使用兩線接口(時鐘和數據）進行通信，任何微控制器的GPIO引腳都可以連接，并且已經編寫了許多庫，可以輕松地從HX711讀取數據。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，通過所使用的定量盒質量的減少量來控制加入微量元素的質量，通過增加此設置可以做到魚缸內環境的調節，同時也可以進行飼料的定量投放，此精細化管理有利于魚類飼養的整體調控。

2 智能魚缸的硬件設計內容

2.1 進水部分

進水部分的設計主要是由靜音水泵和水管組成，靜音水泵主要負責整體水循環部分的使用，在工作的同時可以營造安靜的環境，讓人和魚兒免受噪聲打擾。水管的進水口接家用凈化水和水循環水路的出口部分，在滿足使用的同時可以節約能源的消耗。此部分設置主要實現智能魚缸無噪聲式進水操作。

2.2 水溫調節部分

水溫調節部分主要由單獨缸體和加熱絲組成，相較于其他魚缸直接將加熱部分和魚兒放置在一起的設計，采用將加熱部分分隔出來的方法，此舉主要為避免加熱區域水溫過高、整體水溫差別較大以至于魚兒死亡，實現在溫度過低到不適于魚兒生長的情況下，系統自動加熱至適宜水溫。

2.3 檢測調試部分

檢測調試部分主要是每隔一段時間系統對魚缸內多種成分進行檢測及分析，并結合所養魚類，將魚缸環境調節成最適合魚兒生長的狀態，同時結合傳感器部分檢測魚餌情況，進行魚兒的補充。針對不同種類的魚對環境要求的不同，此部分包含鹽含量傳感器，pH值測量傳感器等一系列專用傳感器進行魚缸環境檢測，得到檢測數據并將數據反饋，進行元素的調整以適用于魚兒的生長。

2.4 水循環部分

水循環部分主要由過濾系統和水泵組成，過濾系統將出水口的水進行過濾處理，主要是去除魚類糞便等其他物質，凈化完畢后再由出水口水泵和水管傳輸給進水處，檢測此部分水質是否達到繼續使用的條件，若符合繼續使用將該部分水繼續循環利用。該部分可實現對智能魚缸的水利用、水管理。

3 智能魚缸的全自動化

3.1 控制自動化

本項目的智能魚缸是一款適用于所有人群的家用智能魚缸，全自動設計操作具有多種功能，可實現自動換水，適宜環境調節，同時對于能源的利用更加充分，避免一些不必要的浪費，更加符合社會的可持續發展觀［5］。該智能魚缸通過ESP8266 01S WiFi模塊控制實現物聯網手機通信，利用手機設置或自動調節進行定時喂食控制，用戶可使用手機遠程控制，可以查看魚缸內的情況，該設計可節約人工管理的煩瑣，將被動的管理轉化為宏觀的控制，在人員不在的狀況下，根據監控來查看魚兒生長情況，在特殊情況下可以進行供養和照明等設備的啟動和停止，也可達到節能效果，隨時隨地隨處自動化管理［6］。

3.2 調節自動化

智能魚缸可實現水循環，環境檢測且調節平衡，加熱，溫度維持，當濁度測量超過閥值開始報警并且自動進水，可實時檢測溫度，自動定時補氧控制，對于大型水族館，智能魚缸的自動調節管理可以節約多量人力，對于普通家庭，智能魚缸的自動調節管理可以提升普通家庭居家養魚的科學性。對于個人需求的小型魚缸，智能魚缸的自動調節管理可解決繁瑣的清潔管理，也可解決家庭養魚過程的管理工作，實現全自動化，簡化人工勞作，在企業大型規模場所，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構工程如圖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、溫度和水質傳感器；8、凈化箱；9、進水管；10、投食器；11、定量盒；12、氧氣泵；13、連通管；14、警示燈。

圖1 魚缸控制結構

5 結構分析

魚缸控制結構包括骨架1，所述的骨架1下方設有照明燈，骨架1上設有加熱箱4和凈化箱8，加熱箱4內設有水泵3和加熱絲5，凈化箱8內設有過濾隔板，凈化箱8與進水管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上設有定量盒11，加熱箱4和凈化箱8之間設有氧氣泵12，連通管13上設有溫度和水質傳感器7，骨架1上設有警示燈14，凈化箱8內設有水泵3，凈化箱8內的水泵3的進水口穿過凈化箱8的下底板，以吸取魚缸內的水，凈化箱8內的水泵3的排水口在凈化箱8內的過濾隔板上方，控制盒6與加熱絲5、溫度和水質傳感器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之間還設有投食器10；所述的定量盒11位透明材質，定量盒11上設有刻度線。

使用時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。進水管9接水管，自來水通過進水管9進入到凈化箱8內進行初步過濾，隨后水經凈化箱8與加熱箱4底部的連通管13進入到加熱箱4內，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內的水泵3排到魚缸中。當在使用過程中水的加熱則通過凈化箱8內的水泵3抽到凈化箱8內，進行重復過濾后，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魚過程中的換水次數，并且可以將水的加熱部分和魚分開。當水質傳感器檢測到水質不合格后，警示燈14提示換水，此時需要將凈化箱8內的過濾隔板拆下來進行沖洗，并同時清空魚缸內的水換水。這樣便可減少在養魚過程中的換水次數。定量盒11的刻度線可以控制魚缸的鹽用量，并且可以量水質穩定劑的用量。投食器10進行投食，氧氣泵12進行供養。過濾隔板安裝在凈化箱8內的安裝槽內，照明燈可以提高魚缸內的照明。

6 結語

本設計具有多種創新性。加熱絲加熱進水方式：與其他魚缸直接將加熱棒放入魚缸內加熱相比，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，這樣可以的設計方式可以降低水溫的變化對魚類的產生影響；微量元素傳感器：利用微量元素傳感器，設計了全新的微量元素檢測系統，通過傳感器的分析，將魚缸內缺少的微量元素通過微量元素定量盒進入水管，然后通過水泵進入魚缸；氧氣供應方式：采取底部氣泵供氧，氣泵放置在底部，在氧氣供應的同時還可以帶動水的流動，將上述微量元素和熱水更快更均勻地分散于魚缸中。

隨著魚缸產品迅猛發展，魚缸市場的需求缺口也極大地推動了國內外各種魚缸控制設備的研發和生產，用智能魚缸代替普通魚缸大勢所趨，該智能魚缸在基本養魚護理方面較為健全，在市場逐漸改變其形狀以便適應空間需求來達到人們對物質文化生活的需求，現在的智能魚缸普遍存在網絡化程度不高、對水族環境實時監控能力不強等缺點，在智能魚缸的設置方面還有較大完善空間。