无线通信鱼缸远程实时监控系统设计实现
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摘要：基于实现全自动远程控制的鱼缸的目的，采用了无线通信技术、传感器技术和嵌入式技术结合的方法，研究了一种无线通信技术的鱼缸远程实时控制系统。通过运行测试，得出了该系统具有较高的稳定性和实用性，能够对鱼缸历史数据进行查询，并显示实时观测数据，且超出设定极限值时可以进行预警提示。
关键词：无线通信；嵌入式；远程控制
1引言
随着社会的快速发展和人民生活水平的提高，观赏鱼缸等之类的工艺品逐渐进入了家庭。更广泛出现在家庭、宾馆、饭店及会议室等人群聚集的场所。“鱼缸”又被称为“水族箱”，这一词起源于英国，沿用至今已超过了150年。随着科技水平的进步，人们欣赏水平和种植水平的提高，水族箱已不仅仅被认为是一个简单的容器了，而是一个相对完备的生态系统。但是由于大多数人对水族箱微型生态系统不够了解，缺乏养护技能，最后造成“草枯鱼亡”。不同的鱼对水环境的要求各不相同，比如热带海水鱼则要求鱼缸水温保持在25℃~27℃左右，且昼夜温差不能超过4℃~5℃；普通金鱼水温在23℃~26℃。同一类鱼在繁殖期水温要高一些。目前市场上出现了许多控制鱼缸水温、排水、充氧和照明的产品，但大多是非智能化的单一功能的系统［1~5］。目前全球水族行业规模的年增长率达到15.6%，欧美、日本等国家家庭拥有率超过30%，我国尚不足1%，但我国每年各类大小鱼缸的销量就达上百亿元，国内市场的潜力巨大。目前市场上的鱼缸相对控制设备简单单一。所以本文设计一款鱼缸间歇充氧、恒温控制、自动水循环控制器、自动喂食器和灯光自动控制器等控制功能于一体的控制系统。本设计以STM32位核心控制器，结合无线通信技术、传感器技术和嵌入式技术，实现了远程实时监控鱼缸水环境［6~7］。
2系统总体设计及功能分析
本系统由环境参数采集模块和控制模块组成。其中，环境参数采集模块主要负责鱼缸内水温、水位、水浊度、光照强度等环境参数的采集工作，为系统的智能控制提供参考依据。同时系统周期性地读取传感器数据，为用户展示实时数据信息和环境动态信息。智能控制模块通过分析环境参数采集模块采集到的数据，判断是否给鱼缸启动换水、控温、照明、喂食等功能。该系统功能框图如图1所示。当鱼缸环境参数发生异常，该系统可自动调节以及发出预警，具有较强的自适应功能。用户可通过网络登录智能生态鱼缸管理系统，查看历史数据，并且通过Web提供了各种便捷的信息管理服务［8~10］。本文设计了一款以嵌入式芯片STM32F103ZET6为核心控制器的鱼缸远程控制系统，运用传感器技术，通过温度传感器、水位传感器，光强度检测、水质PH值检测传感器，摄像头模块，对鱼缸环境参数进行实时采集，对鱼缸生态系统的实时监测，系统具有自我调节的能力，根据生态状况，对鱼缸进行气泵、水泵是否开启、加热器是否关闭等相关操作。用户借助手机终端可以实时的获取鱼缸的相关参数，并以此判断鱼缸当前的物理环境状况，实现对鱼缸的远程监视与控制。该系统实现了人们可以利用互联网实时地观看鱼的生活情况［11~12］。
3系统硬件设计
本次设计的主控芯片采用STM32的ARM微控制器，其内核是Cortex-M3。STM32与51单片机芯片相比较，STM32一次处理数据宽度32位，处理数据能力是51单片机的4倍；STM32内部RAM和ROM都远大于51单片机；STM32性能稳定，不会出现因内部问题而造成的输出不稳定。该系统采用STM32F103ZET6单片机作为主控芯片，主要由水位控制模块、水温控制模块、照明控制模块、摄像头模块、、Wi-Fi通信模块、喂食控制模块、加氧模块、水泵控制模块、水质PH值检测模块和电源模块组成。如图2所示。
3.1水位控制模块
在实际生活中，鱼缸水量蒸发，水位下降。该系统采用的水位传感器有五个点：最下端点1为基准点，点2、3、4、5等距离分布，此五个端点发出的频率各不相同。设端点1为液位下限，当液位到达下限时开启水泵，自动加水；设端点5为液位上限，当液位达到上限时断开供水泵电路停止加水。该五个端点分别通过五根导线接入控制面板中，再通过控制面板的信号线、电源正极和电源负极三根线连接到控制器，把鱼缸水位控制在上限水位与下限水位之间，实现了远距离控制水位。
3.2水温控制模块
水温控制模块采用DS18B20温度传感器芯片，芯片防止短路，防水防潮，防生锈，每个探头经过严格测试，3.0V~5.0V供电，测量精度±0.5℃，感温范围-55℃~125℃，抗干扰性好。封装后的DS18B20可用于高炉水循环测温，机房测温和农业大棚测温等各种非极限温度场合。如图3所示。适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。根据检测温度值是否在设定阈值范围内来控制加热器的开启和关闭。
3.3自动喂食模块
本模块主要实现主人不在家时自动投食的功能。该模块通过控制减速电机转动，完成自动喂食。控制电机的转动时间即可控制每次投食量。减速电机采用N20型直流电机，5V供电。3.4摄像头模块该系统采用OV2640作为摄像头模块，能满足本系统的图像传输能力，具有影像处理功能。且该模块输出JPEG格式的图片，且图片大小可调，占储存空间较小。当手机Wi-Fi打开后，连接控制器，通过点击屏幕的“↑”，“↓”，“←”，“→”按钮，给控制器发送指令通过舵机调整摄像头的位置［13］。
3.5水质PH值检测模块
PH传感器模块是可进行二次开发的PH值计检测传感器模块。该模块具有连线简单、方便实用等特点。传感器的电极用来测量水溶液中的氢离子活度，即PH值，属于PH计测量元件。该模块通过检测PH数值，进行判断是否开启或关闭过滤器，给鱼提供适合生长的酸碱性水环境［14］。
3.6照明控制模块
本模块主要包含了BH1750数字光强度传感器。芯片内部的光敏二极管接近人眼反应，可检测光强度范围为0～65535lx。BH1750光强度数据的读取应遵循I2C总线协议［15］。
3.7Wi-Fi通信模块
系统通过Wi-Fi模块实现STM32与智能手机的连接，智能手机可以接收各传感器采集的相关数据，也可以控制调节鱼缸内各项参数值［16］。
4系统软件设计
智能鱼缸控制系统软件程序包括主程序、水位检测控制子程序、水温检测控制子程序、Wi-Fi通信程序、水质检测子程序、自动喂食控制子程序、照明控制子程序等。系统的工作流程为系统初始化，各项参数检测［17~18］。图4为系统主程序流程图。Wi-Fi通信模块经无线路由器接入互联网并连接服务器，继而将水位、水温、水质等监测参数信息传入服务器中。移动终端设备的Android软件可接收服务器发送来的数据信息，也可向服务器发送控制信息，实现每秒刷新一次数据信息。此外，Android软件通过对水位、水温设定预警值，通过弹出报警对话框实现对用户预警提示。该网络通讯协议为TCP协议，利用TCP通讯可以逐帧更新WEB中的图片达到视频效果。这样就可以在世界各地控制我们的智能网络鱼缸了［19~23］。手机端APP包含有三大部分：Wi-Fi链接界面设计，定时任务界面设计，人工控制界面设计。用户使用时，打开程序，会进入Wi-Fi链接界面，该过程为整个软件建立一个与ARM监测器之间的通讯；Wi-Fi链接以后会自动进入到人工控制界面，该界面包含温度、水位、PH值的检测等；通过Wi-Fi通信，手机用户可以直接读取鱼缸监测器的数据。
5系统功能测试
本系统主要是在智能手机终端上进行测试。在手机终端可以查看历史环境参数信息（例如水温、水质、水位、添加饲料等），可以设置喂食时间和鱼缸自动换水，也可以根据系统设置的温度自动进行调节，更有利于水中生物的生存。通过一段时间的测试，该系统可以实现对鱼缸的温度、液位以及是否喂鱼等进行控制，并能控制抽水机和过滤器的正常使用以及电机的正常运转，最终实现了在线控制。测试表明，该系统具有较低的功耗，具有较高的安全性及可行性，可实现长时间的稳定运行。
6结语
本系统是一种基于无线通信技术的鱼缸智能监控系统。系统以STM32F103ZET6为核心，给出软硬件，进行了模块化的详细设计方案，最终实现用户对鱼缸的远程监控。在长期的调试和运行中，该系统运行稳定可靠，具有较高的实用价值和市场推广前景。
作者：肖军 王琳 刘洲洲 单位：西安航空学院电子工程学院
