基于STM32与FreeRTOS的物联网鱼缸

陈建钢

（重庆科技学院 电气工程学院，重庆 401331）

0 引 言

随着人们生活水平的逐步提高，很多人将养鱼作为日常生活的消遣与放松方式，鱼缸是很多人养鱼时必不可少的工具。然而，市面上的大多产品是半自动化产品，普遍存在功能单一、自动化程度低等问题[1-3]。近年来。随着物联网技术的发展与成熟，它已成为解决上述问题的重要途径。刘治成[4]设计了集多种功能于一体的智能鱼缸，该智能鱼缸以单片机为控制中枢，围绕日常养护鱼缸的基本操作对鱼缸进行设计；结合传感器技术，对鱼缸内的环境进行自动化调节。但是单片机内存小，系统的响应速度慢。郭宇豪等人[5]提出基于STM32的家用智慧鱼缸设计，该系统具有智能进行鱼缸内外水循环、自动喂食调温、系统应急供电等功能，可以有效帮助用户轻松科学地饲养观赏鱼，但未考虑移动端优化显示。本文采用嵌入式实时操作系统并结合无线通信WiFi模块组成智能鱼缸系统，具有抗干扰性高、实用性强等优点，为用户提供了更好的体验，满足了用户智能养鱼的需求。

1 系统总体设计

本系统选用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，通过传感器采集鱼缸的环境数据，实现自动光照控制和对鱼缸内温度、pH值等环境因素的监测，通过ESP8266连接阿里云服务器并通过手机APP显示环境数据。智能鱼缸监测系统整体架构如图1所示，主要包括主控芯片模块、温度检测模块、光强度检测模块、pH值监测模块、无线通信模块。

图1 智能鱼缸监测系统整体架构

2 系统硬件设计

2.1 数据采集电路设计

2.1.1 温度检测与光照检测电路设计

本文采用DS18B20温度传感器，将DS18B20的T1数据口接到了单片机的PA5端口，采用的是单总线时序与主机通信，并且接了一个10 kΩ的上拉电阻。

光照传感器采用BH1750模块，模块引出了时钟线（SCL）和数据线（SDA），将模块的时钟线（SCL）连接到单片机的I2C时钟接口（PB6），模块的数据线（SDA）连接到单片机的I2C数据接口（PB7）。单片机通过I2C通信协议与BH1750模块通信完成数据采集。温度检测与光照检测电路如图2所示。

图2 温度检测与光照检测电路

2.1.2 水质检测电路设计

本文采用pH传感器探头，由于pH复合电极输出的电压信号微弱，为毫伏级[6]。因此设计了信号调理电路，采用2.5 V供电的运算放大器构成二级电路：第一级将pH电极输出与电压跟随器相连，目的是提高测量电路的输入阻抗和隔离前后级电路的影响；第二级将pH电极输出信号滤波放大[7]。PH_OUT信号为信号调理电路放大后的电压信号，将PH_OUT与单片机的ADC通道（PA0）相连进行ADC采集，其中ROSIN为pH探头的航空接口。水质检测信号调理电路如图3所示。

图3 水质检测信号调理电路

2.2 WiFi模块电路设计

本设计的WiFi模块采用ESP8266，该模块支持串口透明数据传输，内置TCP/IP协议栈和IEEE802.11协议栈[8]。本设计将ESP8266模块的TXD和RXD脚分别接STM32芯片的PA3/RX口和PA2/TX口，PA3作为数据回传口，PA2作为数据接收口，单片机就可以通过串口发送AT指令使ESP8266进行组网通信并接入互联网。电路中还对模块的供电电源进行了电容滤波，并将EN端口始终置于高电平工作状态。WiFi模块电路如图4所示。

图4 WiFi模块电路

2.3 控制板设计

本文为智能鱼缸系统设计了基于STM32F103C8T6的控制板，控制板搭载了STM32单片机最小系统、电源转换电路、传感器驱动电路和执行机构的继电器驱动电路。智能鱼缸控制板如图5所示。

图5 智能鱼缸控制板

3 系统软件设计

3.1 软件系统总体设计

本系统将STM32作为主控芯片对温度、光照强度、pH值进行数据采集。为了更好地进行任务调度，本文引进了FreeRTOS嵌入式实时操作系统。采用RTOS线程方式的并发任务处理，解决模块化问题，同时保证实时性与可靠性[9]，使智能鱼缸系统更稳定、高效。软件系统整体流程如图6所示。

图6 软件系统整体流程

3.2 系统硬件初始化与任务创建

在系统启动时需要将系统所使用到的外设进行初始化，才能在任务中进行调用。本系统需要对I2C、ADC、USART、GPIO等外设进行初始化。硬件初始化程序如下：

在系统上电运行后需要对系统所需执行的任务进行创建，系统才会对所创建的任务进行任务调度。任务创建程序如下：

3.3 传感器采集任务

传感器采集任务用于搭建环境检测框架。传感器驱动系统是通过温度传感器、光照传感器、pH值传感器采集周围的环境数据并进行处理。当温度、光强度、pH值超出预设值，将会开启增氧、净水等功能。

3.4 MQTT通信任务

MQTT任务用于驱动WiFi模块和连接服务器。首先向模块发送AT指令连接无线局域网，连接成功后通过MQTT网络协议进行发布和订阅，并连接阿里云物联网平台。接入服务器后将传感器数据进行上报，云端接收到上报数据后转发至APP实现远程检测。

3.5 执行机构控制任务

执行机构控制任务用于电机、净水、增氧设备的逻辑控制，能结合传感器任务进行自动调节，也可以进行远程控制调节。当系统处于手动模式，接收到云端下发给单片机的指令后便执行相应的增氧、投食、净水操作。当系统处于自动模式，对传感器进行阈值设定，当超出阈值范围便进行自动控制。

3.6 线程调度切换

在任务执行过程中可以利用FreeRTOS的任务管理机制进行任务调度，调用vTaskDelay（）函数挂起任务，使CPU处于空闲状态，操作系统内核将时间分配给其他任务，并在某个时间点将该任务唤醒。进行高优先级任务死循环执行时，设置任务睡眠，以执行低优先级的任务。提高系统实时性，让系统处于高并发状态，有利于提升系统性能[10]。任务调度流程如图7所示。

图7 任务调度流程

3.7 移动应用开发

本文APP采用阿里云的可视化界面开发，此应用兼容Android系统与IOS系统，适用于90%的用户。移动应用界面具有温度数据显示、光强度数据显示、pH水质值显示控件，以及投食按钮、增氧按钮、净水按钮控件。显示控件与按钮控件组成用户界面。移动应用用户界面设计如图8所示。

图8 移动应用用户界面设计

4 系统运行测试

4.1 系统安装调试

将智能鱼缸系统的STM32主控板、环境传感器、控制机构等设备进行安装调试。测试系统通信及功能是否正常，并对系统进行长时间的稳定性测试。智能鱼缸装配实物如图9所示。

图9 智能鱼缸装配

4.2 温度传感器数据测试

将温度传感器置于水中，记录温度数据并截取100个时间点的数据。分析得到温度波动在27～28.5℃之间，传感器性能稳定、波动较小。温度传感器数据分析如图10所示。

图10 温度传感器数据分析

4.3 光照传感器数据测试

将光照传感器安装在鱼缸表面，记录光照数据并截取100个时间点的数据。分析得到光照强度数据波动在145～160 lux之间，这是由于环境光线会受外界因素干扰，造成照度变化，并且数值波动较大。但传感器的性能稳定，能准确反映照度变化。光照传感器数据分析如图11所示。

图11 光照传感器数据分析

4.4 水质传感器数据测试

将pH水质传感器探头部分置于水中，避免将整个传感器泡入水中。安装完毕记录pH数据并截取100个时间点的数据。分析得到pH数据波动在7.3～7.6之间，传感器性能稳定、波动较小。水质传感器数据分析如图12所示。

图12 水质传感器数据分析

4.5 系统工作模式测试

系统手动工作模式测试采用黑盒测试。将系统切换到手动模式下，分别按下投食按键、增氧按键、净水按键，观察到投食电机、水泵、增氧泵正常开启、关闭。测试结果见表1所列。

表1 手动控制测试结果

在自动模式下通过设定阈值来控制投食物、增氧、净水机构的自动运行。通过人为照射光照传感器来模拟阳光照射，使光强度超出阈值，观察到增氧泵工作。将pH试液加入水中使pH值增高超出阈值上限，观察到净水水泵工作。设置投食物电机的开关时间，观察到投食口在设置时间内开启，其他时间关闭。测试结果见表2所列。

表2 自动控制测试结果

5 结 语

本文以智能鱼缸系统实时远程监测与管理为目的，以为用户提供便利、降低养鱼难度为起点，提出智能鱼缸远程监测控制系统。经测试表明，该系统安装在各种场所都能正常工作，可以实时对鱼缸环境状态进行检测上报，用户可通过移动端进行远程查看，也可以进行远程投食、净水、增氧。用户也可通过设置自动化场景让鱼缸进行自动管理。该系统可以使用户养鱼更加简单、便捷、高效。