嵌入式生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)設計
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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(huán)境的要求不同，比如水溫、水質、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。而嵌入式技術的發(fā)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(tài)魚缸中能很大程度上解決生態(tài)魚缸的養(yǎng)護問題，也可以讓魚缸的養(yǎng)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(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將各種技術相結合，包括嵌入式技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術和計算機技術等，可以實現(xiàn)對家庭生態(tài)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(huán)境傳感器，對生態(tài)魚缸中的水溫、水質、水位、照明、供氧等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，并根據(jù)設定的閾值進行預警提醒和自動調節(jié)，以保證魚類生活在一個適宜生長的環(huán)境里。
1.系統(tǒng)總體功能設計
本文設計的生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)分為七大功能，分別是實時監(jiān)控、水溫調節(jié)、水質過濾、水位控制、照明控制、自動嵌入式系統(tǒng)與傳感器的有機結合是當代研究關注的重點，應用的產(chǎn)品已經(jīng)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(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)技術等多種技術的一種智能家居產(chǎn)品。該生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對家庭生態(tài)魚缸的遠程監(jiān)控，并且對水溫、水質、水位、照明、供氧等情況進行監(jiān)測和自動調節(jié)。同時在移動終端的監(jiān)測APP上實時顯示各項數(shù)據(jù)，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(tài)環(huán)境。加氧和自動喂食。并且當環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，在移動終端的監(jiān)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(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、光強度傳感器和圖像傳感器等各種傳感器對生態(tài)魚缸內的環(huán)境進行信息采集。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(tài)魚缸的環(huán)境數(shù)據(jù)與設定值相符。同時可以設定喂食時間，到達規(guī)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(jiān)測APP上實時顯示各種環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對生態(tài)魚缸進行遠程監(jiān)控，在手機上就可看到魚的生活情況。
2.系統(tǒng)硬件模塊設計
該生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控模塊、水溫調節(jié)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(jiān)控模塊
采用OV2640圖像傳感器對生態(tài)魚缸進行實時監(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，同時還可以對影像進行相應處理?？梢詫崿F(xiàn)將生態(tài)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(jiān)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(jié)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(tài)魚缸內的加熱器，如果監(jiān)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(shù)據(jù)的檢查，若檢測到的數(shù)據(jù)與設定的值不符，則通過開啟過濾器，將生態(tài)魚缸中的水過濾，直至水質情況適宜魚類的生存。
2.4水位控制模塊
生態(tài)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(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)采用了BH1750光強度傳感器來監(jiān)測缸內的光照強度，根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)利用燈光來進行調節(jié)。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(jié)。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(jù)傳感器測量的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以自動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(xiàn)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(guī)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(huán)境傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸?shù)揭苿咏K端上去，在監(jiān)測APP中進行顯示，同時用戶也可以在APP上對各項數(shù)據(jù)的閾值進行設定。
3.系統(tǒng)軟件設計
3.1系統(tǒng)程序設計
本文設計的生態(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)的程序設計包括主程序和8個子程序，分別是實時監(jiān)控子程序、水溫調節(jié)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(tǒng)主程序設計如圖6所示。用戶在移動終端的監(jiān)測APP中設定生態(tài)魚缸的各項環(huán)境參數(shù)的閾值，程序的運行是將各個傳感器監(jiān)測到的水位、水溫、pH酸堿度、水濁度、溶氧量等數(shù)據(jù)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(tài)魚缸的環(huán)境保持到一個最合適的情況，實現(xiàn)了對生態(tài)魚缸的實時監(jiān)控與自動調節(jié)。
3.2監(jiān)測APP的設計
移動終端的監(jiān)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(jiān)測APP上的界面顯示分為三個部分：顯示各個環(huán)境傳感器監(jiān)測到的水溫、水位、水質和含氧量等信息數(shù)據(jù)；顯示攝像頭實時監(jiān)測到的生態(tài)魚缸內的真實影像；用戶對各項參數(shù)閾值的設定界面。除此之外，還有報警功能，如若監(jiān)測到的生態(tài)魚缸環(huán)境數(shù)據(jù)與規(guī)定值有了偏差，就會以彈窗和語音的方式在移動終端的監(jiān)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(tài)魚缸監(jiān)控系統(tǒng)，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(tǒng)與傳感器進行有機結合，可以對生態(tài)魚缸的環(huán)境進行較為全面的監(jiān)測。該生態(tài)魚缸監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)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(jiān)測APP中實現(xiàn)實時遠程監(jiān)控，對智能家居的研究具有一定的價值，該系統(tǒng)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(fā)動機學院
