嵌入式生态鱼缸监控系统设计

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生态鱼缸在大众家中十分常见，鱼翔浅底，锦鳞游泳，作为家中的一项景观一直以来深受人们的喜爱。但是由于各种鱼类的生活习性和对生存环境的要求不同，比如水温、水质、氧含量等，所以饲养起来有一定的困难，往往最后以失败告终。而嵌入式技术的发展，让智能家居进入了人们的视野，将嵌入式技术应用在生态鱼缸中能很大程度上解决生态鱼缸的养护问题，也可以让鱼缸的养护更加便捷、操作更加简单。本文设计的是一款基于嵌入式的生态鱼缸监控系统，该系统将各种技术相结合，包括嵌入式技术、物联网技术、传感器技术和计算机技术等，可以实现对家庭生态鱼缸的自动控制。通过图像传感器记录鱼缸中的实时影像，应用各种环境传感器，对生态鱼缸中的水温、水质、水位、照明、供氧等数据进行监测，并根据设定的阈值进行预警提醒和自动调节，以保证鱼类生活在一个适宜生长的环境里。

1.系统总体功能设计

本文设计的生态鱼缸监控系统分为七大功能，分别是实时监控、水温调节、水质过滤、水位控制、照明控制、自动嵌入式系统与传感器的有机结合是当代研究关注的重点，应用的产品已经逐渐走进了人们的生活，智能家居的概念成为当今世界的热门。本文设计的生态鱼缸监控系统就是基于嵌入式技术，以及应用了传感器技术、计算机技术和物联网技术等多种技术的一种智能家居产品。该生态鱼缸监控系统可以实现对家庭生态鱼缸的远程监控，并且对水温、水质、水位、照明、供氧等情况进行监测和自动调节。同时在移动终端的监测APP上实时显示各项数据，也可设置各项阈值，并在超过阈值时进行预警提醒，为鱼类提供一个适合生存的生态环境。加氧和自动喂食。并且当环境数据发生异常时，在移动终端的监测APP上以弹窗和语音的形式对用户进行提醒。本文设计的是以STM32F103ZET6嵌入式单片机为控制中心的生态鱼缸的监控系统，通过温度传感器、pH传感器、水浊度传感器、光强度传感器和图像传感器等各种传感器对生态鱼缸内的环境进行信息采集。根据采集到的数据，生态鱼缸系统可以进行自我调控，与设定的阈值进行比较，可以自动控制水泵、过滤器、加热器等，来控制生态鱼缸的环境数据与设定值相符。同时可以设定喂食时间，到达规定时间时，可以通过减速直流电机控制进行自动喂食。移动终端采用WiFi无线通信，可以在监测APP上实时显示各种环境数据，实现了对生态鱼缸进行远程监控，在手机上就可看到鱼的生活情况。

2.系统硬件模块设计

该生态鱼缸监控系统是以STM32F103ZET6嵌入式单片机作为控制中心，嵌入式单片机STM32F103ZET6是以ARMCortex-M3核心的32位微控制器，与移动终端之间采用WiFi无线通信。与控制中心相连接的有实时监控模块、水温调节模块、水质过滤模块、水位控制模块、自动加氧模块、照明控制模块、自动喂食模块、WiFi无线通信模块和电源模块。硬件模块设计图如图1所示。

2.1实时监控模块

采用OV2640图像传感器对生态鱼缸进行实时监控，OV2640传感器是一种OmniVision公司生产的CMOSUXGA（1632×1232）图像传感器，它具备单片UXGA摄像头功能，同时还可以对影像进行相应处理。可以实现将生态鱼缸的实时影像传输给控制中心，再通过WiFi无线传输给移动终端，这样用户在移动终端的监测APP上即可看到鱼缸内鱼的生存情况。OV2640实物图如图2所示。

2.2水温调节模块

以DS18B20温度传感器来采集水温信息，DS18B20的连接方式简单，采用单线接口，仅仅使用一条线就可与控制中心建立双向通讯关系，可测量-55℃到+125℃的温度范围。DS18B20温度传感器实物图如图3所示。该模块可以自动控制生态鱼缸内的加热器，如果监测到的水温若低于设定的温度阈值，则开启加热器；水温达到设定的阈值，则停止加热。

2.3水质过滤模块

水质检测是采用pH酸碱度传感器和水浊度传感器进行对水质各项数据的检查，若检测到的数据与设定的值不符，则通过开启过滤器，将生态鱼缸中的水过滤，直至水质情况适宜鱼类的生存。

2.4水位控制模块

生态鱼缸内安装有水位传感器，他可以感应到实际的水位位置，STM32F103ZET6控制中心中储存了用户设定好的上限水位和下限水位，将实际测量到的水位位置与设定的水位进行比较，进而控制水泵的启动和停止。具体操作即若测量到的实际水位比设定的下限水位低，则启动水泵开始加水；若达到上限水位则停止水泵，控制实际水位在下限水位和上限水位之间。

2.5照明控制模块

光照强度也是影响一些鱼类生存的要素之一。本文设计的生态鱼缸监控系统采用了BH1750光强度传感器来监测缸内的光照强度，根据监测到的数据利用灯光来进行调节。若检测到光照强度不足，则控制中心会打开鱼缸内的灯光补光；若过强是则关闭灯光，从而自动调节。BH1750光强度传感器实物图如图4所示。

2.6自动加氧模块

自动加氧模块是采用溶解氧传感器来测量水中的含氧量，测量范围是0~20mg/L，0~200%SAT。根据传感器测量的数据，系统可以自动判断是否需要打开氧气泵给生态鱼缸加氧，来保证鱼类氧气的充足。

2.7自动喂食模块

自动喂食模块是以控制N20型减速直流电机转动来实现的，具备定时自动给鱼类喂食的功能。用户可以自行设置喂食的时间，到达规定时间时，就可以自动喂食，这就可以解决用户不在家时无法喂食的问题。N20型减速直流电机实物图如图5所示。

2.8WiFi无线通信模块

控制中心与移动终端之间通过WiFi无线通信，各个环境传感器监测到的数据通过WiFi传输到移动终端上去，在监测APP中进行显示，同时用户也可以在APP上对各项数据的阈值进行设定。

3.系统软件设计

3.1系统程序设计

本文设计的生态鱼缸监控系统的程序设计包括主程序和8个子程序，分别是实时监控子程序、水温调节子程序、水质过滤子程序、水位控制子程序、照明控制子程序、自动加氧子程序、自动喂食子程序和WiFi无线通信子程序。系统主程序设计如图6所示。用户在移动终端的监测APP中设定生态鱼缸的各项环境参数的阈值，程序的运行是将各个传感器监测到的水位、水温、pH酸碱度、水浊度、溶氧量等数据与设定值进行比对，然后来判断是否要进行相应的操作，以及是否要在APP上进行预警提醒，最终将生态鱼缸的环境保持到一个最合适的情况，实现了对生态鱼缸的实时监控与自动调节。

3.2监测APP的设计

移动终端的监测APP首先是要进行WiFi连接，为整个软件建立一个与控制中心之间的双向通讯。之后，监测APP上的界面显示分为三个部分：显示各个环境传感器监测到的水温、水位、水质和含氧量等信息数据；显示摄像头实时监测到的生态鱼缸内的真实影像；用户对各项参数阈值的设定界面。除此之外，还有报警功能，如若监测到的生态鱼缸环境数据与规定值有了偏差，就会以弹窗和语音的方式在移动终端的监测APP上进行预警提醒。

4.结语

本文设计的是一款基于嵌入式的生态鱼缸监控系统，以STM32F103ZET6嵌入式单片机作为控制中心，采用多种传感器，并将嵌入式系统与传感器进行有机结合，可以对生态鱼缸的环境进行较为全面的监测。该生态鱼缸监测系统可以实现自动控温、自动加氧、自动喂食等功能，并且能够在移动终端的监测APP中实现实时远程监控，对智能家居的研究具有一定的价值，该系统具有很强的实用性和市场前景。

作者:吴嘉贺 胡立夫 冉兴强 孙扬 徐皓 单位:沈阳航空航天大学自动化学院 沈阳航空航天大学航空发动机学院