嵌入式生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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生態(tài)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(xiàng)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(xí)性和對(duì)生存環(huán)境的要求不同，比如水溫、水質(zhì)、氧含量等，所以飼養(yǎng)起來有一定的困難，往往最后以失敗告終。而嵌入式技術(shù)的發(fā)展，讓智能家居進(jìn)入了人們的視野，將嵌入式技術(shù)應(yīng)用在生態(tài)魚缸中能很大程度上解決生態(tài)魚缸的養(yǎng)護(hù)問題，也可以讓魚缸的養(yǎng)護(hù)更加便捷、操作更加簡(jiǎn)單。本文設(shè)計(jì)的是一款基于嵌入式的生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將各種技術(shù)相結(jié)合，包括嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭生態(tài)魚缸的自動(dòng)控制。通過圖像傳感器記錄魚缸中的實(shí)時(shí)影像，應(yīng)用各種環(huán)境傳感器，對(duì)生態(tài)魚缸中的水溫、水質(zhì)、水位、照明、供氧等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行預(yù)警提醒和自動(dòng)調(diào)節(jié)，以保證魚類生活在一個(gè)適宜生長(zhǎng)的環(huán)境里。

1.系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)分為七大功能，分別是實(shí)時(shí)監(jiān)控、水溫調(diào)節(jié)、水質(zhì)過濾、水位控制、照明控制、自動(dòng)嵌入式系統(tǒng)與傳感器的有機(jī)結(jié)合是當(dāng)代研究關(guān)注的重點(diǎn)，應(yīng)用的產(chǎn)品已經(jīng)逐漸走進(jìn)了人們的生活，智能家居的概念成為當(dāng)今世界的熱門。本文設(shè)計(jì)的生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)就是基于嵌入式技術(shù)，以及應(yīng)用了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多種技術(shù)的一種智能家居產(chǎn)品。該生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭生態(tài)魚缸的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且對(duì)水溫、水質(zhì)、水位、照明、供氧等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和自動(dòng)調(diào)節(jié)。同時(shí)在移動(dòng)終端的監(jiān)測(cè)APP上實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù)，也可設(shè)置各項(xiàng)閾值，并在超過閾值時(shí)進(jìn)行預(yù)警提醒，為魚類提供一個(gè)適合生存的生態(tài)環(huán)境。加氧和自動(dòng)喂食。并且當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，在移動(dòng)終端的監(jiān)測(cè)APP上以彈窗和語音的形式對(duì)用戶進(jìn)行提醒。本文設(shè)計(jì)的是以STM32F103ZET6嵌入式單片機(jī)為控制中心的生態(tài)魚缸的監(jiān)控系統(tǒng)，通過溫度傳感器、pH傳感器、水濁度傳感器、光強(qiáng)度傳感器和圖像傳感器等各種傳感器對(duì)生態(tài)魚缸內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行信息采集。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，生態(tài)魚缸系統(tǒng)可以進(jìn)行自我調(diào)控，與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，可以自動(dòng)控制水泵、過濾器、加熱器等，來控制生態(tài)魚缸的環(huán)境數(shù)據(jù)與設(shè)定值相符。同時(shí)可以設(shè)定喂食時(shí)間，到達(dá)規(guī)定時(shí)間時(shí)，可以通過減速直流電機(jī)控制進(jìn)行自動(dòng)喂食。移動(dòng)終端采用WiFi無線通信，可以在監(jiān)測(cè)APP上實(shí)時(shí)顯示各種環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生態(tài)魚缸進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，在手機(jī)上就可看到魚的生活情況。

2.系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

該生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)是以STM32F103ZET6嵌入式單片機(jī)作為控制中心，嵌入式單片機(jī)STM32F103ZET6是以ARMCortex-M3核心的32位微控制器，與移動(dòng)終端之間采用WiFi無線通信。與控制中心相連接的有實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、水溫調(diào)節(jié)模塊、水質(zhì)過濾模塊、水位控制模塊、自動(dòng)加氧模塊、照明控制模塊、自動(dòng)喂食模塊、WiFi無線通信模塊和電源模塊。硬件模塊設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2.1實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊

采用OV2640圖像傳感器對(duì)生態(tài)魚缸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，OV2640傳感器是一種OmniVision公司生產(chǎn)的CMOSUXGA（1632×1232）圖像傳感器，它具備單片UXGA攝像頭功能，同時(shí)還可以對(duì)影像進(jìn)行相應(yīng)處理。可以實(shí)現(xiàn)將生態(tài)魚缸的實(shí)時(shí)影像傳輸給控制中心，再通過WiFi無線傳輸給移動(dòng)終端，這樣用戶在移動(dòng)終端的監(jiān)測(cè)APP上即可看到魚缸內(nèi)魚的生存情況。OV2640實(shí)物圖如圖2所示。

2.2水溫調(diào)節(jié)模塊

以DS18B20溫度傳感器來采集水溫信息，DS18B20的連接方式簡(jiǎn)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(guān)系，可測(cè)量-55℃到+125℃的溫度范圍。DS18B20溫度傳感器實(shí)物圖如圖3所示。該模塊可以自動(dòng)控制生態(tài)魚缸內(nèi)的加熱器，如果監(jiān)測(cè)到的水溫若低于設(shè)定的溫度閾值，則開啟加熱器；水溫達(dá)到設(shè)定的閾值，則停止加熱。

2.3水質(zhì)過濾模塊

水質(zhì)檢測(cè)是采用pH酸堿度傳感器和水濁度傳感器進(jìn)行對(duì)水質(zhì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的檢查，若檢測(cè)到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的值不符，則通過開啟過濾器，將生態(tài)魚缸中的水過濾，直至水質(zhì)情況適宜魚類的生存。

2.4水位控制模塊

生態(tài)魚缸內(nèi)安裝有水位傳感器，他可以感應(yīng)到實(shí)際的水位位置，STM32F103ZET6控制中心中儲(chǔ)存了用戶設(shè)定好的上限水位和下限水位，將實(shí)際測(cè)量到的水位位置與設(shè)定的水位進(jìn)行比較，進(jìn)而控制水泵的啟動(dòng)和停止。具體操作即若測(cè)量到的實(shí)際水位比設(shè)定的下限水位低，則啟動(dòng)水泵開始加水；若達(dá)到上限水位則停止水泵，控制實(shí)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(qiáng)度也是影響一些魚類生存的要素之一。本文設(shè)計(jì)的生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)采用了BH1750光強(qiáng)度傳感器來監(jiān)測(cè)缸內(nèi)的光照強(qiáng)度，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)利用燈光來進(jìn)行調(diào)節(jié)。若檢測(cè)到光照強(qiáng)度不足，則控制中心會(huì)打開魚缸內(nèi)的燈光補(bǔ)光；若過強(qiáng)是則關(guān)閉燈光，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)。BH1750光強(qiáng)度傳感器實(shí)物圖如圖4所示。

2.6自動(dòng)加氧模塊

自動(dòng)加氧模塊是采用溶解氧傳感器來測(cè)量水中的含氧量，測(cè)量范圍是0~20mg/L，0~200%SAT。根據(jù)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以自動(dòng)判斷是否需要打開氧氣泵給生態(tài)魚缸加氧，來保證魚類氧氣的充足。

2.7自動(dòng)喂食模塊

自動(dòng)喂食模塊是以控制N20型減速直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，具備定時(shí)自動(dòng)給魚類喂食的功能。用戶可以自行設(shè)置喂食的時(shí)間，到達(dá)規(guī)定時(shí)間時(shí)，就可以自動(dòng)喂食，這就可以解決用戶不在家時(shí)無法喂食的問題。N20型減速直流電機(jī)實(shí)物圖如圖5所示。

2.8WiFi無線通信模塊

控制中心與移動(dòng)終端之間通過WiFi無線通信，各個(gè)環(huán)境傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸?shù)揭苿?dòng)終端上去，在監(jiān)測(cè)APP中進(jìn)行顯示，同時(shí)用戶也可以在APP上對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的閾值進(jìn)行設(shè)定。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)包括主程序和8個(gè)子程序，分別是實(shí)時(shí)監(jiān)控子程序、水溫調(diào)節(jié)子程序、水質(zhì)過濾子程序、水位控制子程序、照明控制子程序、自動(dòng)加氧子程序、自動(dòng)喂食子程序和WiFi無線通信子程序。系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)如圖6所示。用戶在移動(dòng)終端的監(jiān)測(cè)APP中設(shè)定生態(tài)魚缸的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的閾值，程序的運(yùn)行是將各個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)到的水位、水溫、pH酸堿度、水濁度、溶氧量等數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，然后來判斷是否要進(jìn)行相應(yīng)的操作，以及是否要在APP上進(jìn)行預(yù)警提醒，最終將生態(tài)魚缸的環(huán)境保持到一個(gè)最合適的情況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生態(tài)魚缸的實(shí)時(shí)監(jiān)控與自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.2監(jiān)測(cè)APP的設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端的監(jiān)測(cè)APP首先是要進(jìn)行WiFi連接，為整個(gè)軟件建立一個(gè)與控制中心之間的雙向通訊。之后，監(jiān)測(cè)APP上的界面顯示分為三個(gè)部分：顯示各個(gè)環(huán)境傳感器監(jiān)測(cè)到的水溫、水位、水質(zhì)和含氧量等信息數(shù)據(jù)；顯示攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的生態(tài)魚缸內(nèi)的真實(shí)影像；用戶對(duì)各項(xiàng)參數(shù)閾值的設(shè)定界面。除此之外，還有報(bào)警功能，如若監(jiān)測(cè)到的生態(tài)魚缸環(huán)境數(shù)據(jù)與規(guī)定值有了偏差，就會(huì)以彈窗和語音的方式在移動(dòng)終端的監(jiān)測(cè)APP上進(jìn)行預(yù)警提醒。

4.結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的是一款基于嵌入式的生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)，以STM32F103ZET6嵌入式單片機(jī)作為控制中心，采用多種傳感器，并將嵌入式系統(tǒng)與傳感器進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可以對(duì)生態(tài)魚缸的環(huán)境進(jìn)行較為全面的監(jiān)測(cè)。該生態(tài)魚缸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫、自動(dòng)加氧、自動(dòng)喂食等功能，并且能夠在移動(dòng)終端的監(jiān)測(cè)APP中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)智能家居的研究具有一定的價(jià)值，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和市場(chǎng)前景。

作者:吳嘉賀 胡立夫 冉興強(qiáng) 孫揚(yáng) 徐皓 單位:沈陽航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 沈陽航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院