嵌入式生態魚缸監控系統設計

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生態魚缸在大眾家中十分常見，魚翔淺底，錦鱗游泳，作為家中的一項景觀一直以來深受人們的喜愛。但是由于各種魚類的生活習性和對生存環境的要求不同，比如水溫、水質、氧含量等，所以飼養起來有一定的困難，往往最后以失敗告終。而嵌入式技術的發展，讓智能家居進入了人們的視野，將嵌入式技術應用在生態魚缸中能很大程度上解決生態魚缸的養護問題，也可以讓魚缸的養護更加便捷、操作更加簡單。本文設計的是一款基于嵌入式的生態魚缸監控系統，該系統將各種技術相結合，包括嵌入式技術、物聯網技術、傳感器技術和計算機技術等，可以實現對家庭生態魚缸的自動控制。通過圖像傳感器記錄魚缸中的實時影像，應用各種環境傳感器，對生態魚缸中的水溫、水質、水位、照明、供氧等數據進行監測，并根據設定的閾值進行預警提醒和自動調節，以保證魚類生活在一個適宜生長的環境里。

1.系統總體功能設計

本文設計的生態魚缸監控系統分為七大功能，分別是實時監控、水溫調節、水質過濾、水位控制、照明控制、自動嵌入式系統與傳感器的有機結合是當代研究關注的重點，應用的產品已經逐漸走進了人們的生活，智能家居的概念成為當今世界的熱門。本文設計的生態魚缸監控系統就是基于嵌入式技術，以及應用了傳感器技術、計算機技術和物聯網技術等多種技術的一種智能家居產品。該生態魚缸監控系統可以實現對家庭生態魚缸的遠程監控，并且對水溫、水質、水位、照明、供氧等情況進行監測和自動調節。同時在移動終端的監測APP上實時顯示各項數據，也可設置各項閾值，并在超過閾值時進行預警提醒，為魚類提供一個適合生存的生態環境。加氧和自動喂食。并且當環境數據發生異常時，在移動終端的監測APP上以彈窗和語音的形式對用戶進行提醒。本文設計的是以STM32F103ZET6嵌入式單片機為控制中心的生態魚缸的監控系統，通過溫度傳感器、pH傳感器、水濁度傳感器、光強度傳感器和圖像傳感器等各種傳感器對生態魚缸內的環境進行信息采集。根據采集到的數據，生態魚缸系統可以進行自我調控，與設定的閾值進行比較，可以自動控制水泵、過濾器、加熱器等，來控制生態魚缸的環境數據與設定值相符。同時可以設定喂食時間，到達規定時間時，可以通過減速直流電機控制進行自動喂食。移動終端采用WiFi無線通信，可以在監測APP上實時顯示各種環境數據，實現了對生態魚缸進行遠程監控，在手機上就可看到魚的生活情況。

2.系統硬件模塊設計

該生態魚缸監控系統是以STM32F103ZET6嵌入式單片機作為控制中心，嵌入式單片機STM32F103ZET6是以ARMCortex-M3核心的32位微控制器，與移動終端之間采用WiFi無線通信。與控制中心相連接的有實時監控模塊、水溫調節模塊、水質過濾模塊、水位控制模塊、自動加氧模塊、照明控制模塊、自動喂食模塊、WiFi無線通信模塊和電源模塊。硬件模塊設計圖如圖1所示。

2.1實時監控模塊

采用OV2640圖像傳感器對生態魚缸進行實時監控，OV2640傳感器是一種OmniVision公司生產的CMOSUXGA（1632×1232）圖像傳感器，它具備單片UXGA攝像頭功能，同時還可以對影像進行相應處理?？梢詫崿F將生態魚缸的實時影像傳輸給控制中心，再通過WiFi無線傳輸給移動終端，這樣用戶在移動終端的監測APP上即可看到魚缸內魚的生存情況。OV2640實物圖如圖2所示。

2.2水溫調節模塊

以DS18B20溫度傳感器來采集水溫信息，DS18B20的連接方式簡單，采用單線接口，僅僅使用一條線就可與控制中心建立雙向通訊關系，可測量-55℃到+125℃的溫度范圍。DS18B20溫度傳感器實物圖如圖3所示。該模塊可以自動控制生態魚缸內的加熱器，如果監測到的水溫若低于設定的溫度閾值，則開啟加熱器；水溫達到設定的閾值，則停止加熱。

2.3水質過濾模塊

水質檢測是采用pH酸堿度傳感器和水濁度傳感器進行對水質各項數據的檢查，若檢測到的數據與設定的值不符，則通過開啟過濾器，將生態魚缸中的水過濾，直至水質情況適宜魚類的生存。

2.4水位控制模塊

生態魚缸內安裝有水位傳感器，他可以感應到實際的水位位置，STM32F103ZET6控制中心中儲存了用戶設定好的上限水位和下限水位，將實際測量到的水位位置與設定的水位進行比較，進而控制水泵的啟動和停止。具體操作即若測量到的實際水位比設定的下限水位低，則啟動水泵開始加水；若達到上限水位則停止水泵，控制實際水位在下限水位和上限水位之間。

2.5照明控制模塊

光照強度也是影響一些魚類生存的要素之一。本文設計的生態魚缸監控系統采用了BH1750光強度傳感器來監測缸內的光照強度，根據監測到的數據利用燈光來進行調節。若檢測到光照強度不足，則控制中心會打開魚缸內的燈光補光；若過強是則關閉燈光，從而自動調節。BH1750光強度傳感器實物圖如圖4所示。

2.6自動加氧模塊

自動加氧模塊是采用溶解氧傳感器來測量水中的含氧量，測量范圍是0~20mg/L，0~200%SAT。根據傳感器測量的數據，系統可以自動判斷是否需要打開氧氣泵給生態魚缸加氧，來保證魚類氧氣的充足。

2.7自動喂食模塊

自動喂食模塊是以控制N20型減速直流電機轉動來實現的，具備定時自動給魚類喂食的功能。用戶可以自行設置喂食的時間，到達規定時間時，就可以自動喂食，這就可以解決用戶不在家時無法喂食的問題。N20型減速直流電機實物圖如圖5所示。

2.8WiFi無線通信模塊

控制中心與移動終端之間通過WiFi無線通信，各個環境傳感器監測到的數據通過WiFi傳輸到移動終端上去，在監測APP中進行顯示，同時用戶也可以在APP上對各項數據的閾值進行設定。

3.系統軟件設計

3.1系統程序設計

本文設計的生態魚缸監控系統的程序設計包括主程序和8個子程序，分別是實時監控子程序、水溫調節子程序、水質過濾子程序、水位控制子程序、照明控制子程序、自動加氧子程序、自動喂食子程序和WiFi無線通信子程序。系統主程序設計如圖6所示。用戶在移動終端的監測APP中設定生態魚缸的各項環境參數的閾值，程序的運行是將各個傳感器監測到的水位、水溫、pH酸堿度、水濁度、溶氧量等數據與設定值進行比對，然后來判斷是否要進行相應的操作，以及是否要在APP上進行預警提醒，最終將生態魚缸的環境保持到一個最合適的情況，實現了對生態魚缸的實時監控與自動調節。

3.2監測APP的設計

移動終端的監測APP首先是要進行WiFi連接，為整個軟件建立一個與控制中心之間的雙向通訊。之后，監測APP上的界面顯示分為三個部分：顯示各個環境傳感器監測到的水溫、水位、水質和含氧量等信息數據；顯示攝像頭實時監測到的生態魚缸內的真實影像；用戶對各項參數閾值的設定界面。除此之外，還有報警功能，如若監測到的生態魚缸環境數據與規定值有了偏差，就會以彈窗和語音的方式在移動終端的監測APP上進行預警提醒。

4.結語

本文設計的是一款基于嵌入式的生態魚缸監控系統，以STM32F103ZET6嵌入式單片機作為控制中心，采用多種傳感器，并將嵌入式系統與傳感器進行有機結合，可以對生態魚缸的環境進行較為全面的監測。該生態魚缸監測系統可以實現自動控溫、自動加氧、自動喂食等功能，并且能夠在移動終端的監測APP中實現實時遠程監控，對智能家居的研究具有一定的價值，該系統具有很強的實用性和市場前景。

作者:吳嘉賀 胡立夫 冉興強 孫揚 徐皓 單位:沈陽航空航天大學自動化學院 沈陽航空航天大學航空發動機學院