基于手机遥控的智能鱼缸控制系统的设计

关键词：鱼缸水温控制；自动换水；自动喂食；Wi-Fi通信；手机遥控

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）18-0040-03

0 引言

随着人们生活水平的提高，对生活品质的追求也越来越高，许多人开始在家中饲养观赏鱼。不同类型的观赏鱼对生活环境的需求各异，例如淡水鱼与深海鱼需要不同的水温，食物也不相同。为了满足不同客户的需求，目前市场上的鱼缸通常增加了如水温控制、充氧控制、过滤控制等功能[1-2]。然而，由于产品繁多且功能未集成在同一个系统内，本文根据当前市场需求，设计了一种集水温控制、自动换水、自动喂食等功能于一体，并具备手机遥控功能的智能鱼缸控制系统。

1 整体设计

智能鱼缸的原理框图如图1 所示，主要包括：STM32F103C8T6 最小系统、水温检测、水位检测、OLED显示、自动喂食、自动加热、自动换水、Wi-Fi通信、手机App等模块。

1.1 主控电路

本文采用STM32F103C8T6最小系统板作为主控电路。该最小系统主要由STM32单片机、电源、时钟电路和复位电路组成。其特点是体积小、功耗低、性价比高、计算能力强，内部自带12位AD转换，数据处理速度快，精度高[3，7]。

1.2 温度采集电路设计

温度采集电路采用NTC热敏电阻作为水温传感元件。通过单片机ADC采集其变化的电压并转换成对应的ADC 值，最终根据公式计算出当前的水温。NTC热敏电阻在本系统中连接如图2所示，其中ADC 接口为STM32的PA3口，NTC的两个接口分别连接热敏电阻的两端。

1.3 水位采集电路设计

水位采集电路采用HC-SR04超声波测距模块，其Trig与单片机的PA5引脚相连，Echo与STM32单片机的PA4引脚相连。超声波通过其中一个发射管发射出去，当超声波接触到被测面后反射回来进入接收管。距离计算公式为：

S = C × T/2 （3）

其中S为计算的距离，C为声速（340m/s） ，T为时间差。

1.4 自动喂食转置的设计

自动喂食装置采用SG90舵机带动喂食盒旋转来实现。SG90舵机是一种位置伺服驱动器，通过接收IO口发出的PWM信号，使其产生偏置电压，从而触发电机通过减速齿轮带动电位器移动。当电压差为0 时，电机停止转动，从而达到伺服的效果[4]。SG90舵机实物如图3 所示。该舵机有三根引线，分别是GND、VCC、信号线。VCC须接5V电压，信号线接单片机PB5引脚。

对于自动喂食盒，考虑到节能环保和成本节约的因素，本文利用废弃的果脯盒来完成。该盒子为圆柱形，如图4所示。在盒子靠近底部的侧面开一个直径约为5 mm的小圆孔，再将盒子底部与舵机通过热熔胶相接。舵机转动前，小圆孔朝上。当舵机转动时，带动喂食盒转动，当喂食盒转动到下方时，饲料从小孔中落入鱼缸中。舵机每转动一圈回到原来的位置，完成一次喂食操作。根据鱼的数量，可以设置转动的圈数。

1.5 自动换水电路设计

该电路使用继电器控制水泵的开关进行自动换水。当鱼缸的水位低于设定的下限值时，控制抽水继电器接通，抽水水泵开始抽水进鱼缸。抽水信号通过单片机PB5输出，经三极管放大电流后接到控制抽水的继电器。排水信号通过单片机PA9输出。

1.6 Wi-Fi 通信电路

该电路采用ESP8266-01S实现STM32单片机与阿里云的通信，其外观尺寸如图5所示。

MQTT协议是一种基于发布和订阅模式的轻量级通信协议。其优点在于以少量代码和有限的带宽也能提供实时消息的传输，且花销低、带宽占用低[5]。

ESP8266-01S Wi-Fi 模块支持多种协议。本文中，下位机STM32 通过串口发指令到ESP8266中，ESP8266 收到指令后执行对应的工作模式，再通过MQTT协议与阿里云服务器通信。手机App通过调用相应的API函数与阿里云通信。

2 软件设计

2.1 系统工作流程图

首先对各种参数进行初始化，然后单片机开始接收传感器传来的采集数据并进行相应的处理。处理后的数据再送到OLED显示屏上显示，同时通过串口将数据和指令发送至Wi-Fi 模块ESP8266-01S上。FWii名-F称i模、W块i-进F入i密到码对、域应名的、工用作户模名式、用，输户入密对码应、连的接W服i-务器，最终客户订阅好消息，实现ESP8266与手机App相连。手机端也可以发送指令控制鱼缸加热、喂食、换水等。系统工作流程如图6所示。

2.2 水温采集与加热流程图

首先检测水温，若温度低于设定的低温阈值则启动加热棒进行加热，若高于高温阈值则关闭加热[7]。流程图如图7所示。

2.3 水位测量与自动换水流程图

水位测量后与设置好的换水阈值进行比较，若低于换水阈值则启动继电器进行自动换水。当抽水到鱼缸的1/4左右时停止抽水，开启注水，当注入的水达到鱼缸的3/4时停止注水，至此完成自动换水功能。水位测量与自动换水流程如图8所示。

2.4 手机App的设计

本文使用阿里云平台作为接入的服务器。首先在阿里云中物联网平台创建一个新项目，再创建一个智能鱼缸的产品。创建好产品后对其进行功能的自定义，对于水温与水位监测设置为只读，即只能从下位机读取数据，而定时喂食则在上位机设置好时间之后交由下位机进行执行。当达到定时时间，舵机根据设置好的转动角度进行转动，水温的低温阈值与高温阈值也可以由上位机设置，再将设置好的值返回下位机执行。

在选择好产品后创建手机App，本文采用阿里云公版App云智能进行创建。功能定义结束后进行人机交互设置，创建App时对其产品的品牌、名称、型号进行设置。对于App的账号绑定则设置为授权式，之后对手机App面板进行设计。设计后的面板如图9所示。

App设计完成后进入设备调试阶段，每个产品都会生成一个专属的本设备三元一组信息，通过该三元一组信息可以组成一系列指令，再从下位机通过串口将这些指令发送至ESP8266模块，ESP8266收到指令后通过MQTT与上位机进行通信，通信成功后，可在设备调试部分看到对应设备在线。

下一步进行产品发布，确认设置好的信息，点击产品发布，自动生成一个二维码，使用云智能App扫描该二维码，手机App出现之前设计的产品的图标，点击该图标后出现一个与之前设置的手机面板相同的界面。

3测试结果

通过测试验证，本系统实现了温度监测、水位测量、自动换水、自动喂食、手机遥控等功能。智能鱼缸控制系统实物图如图10所示。

4结论

综上所述，本文设计了一种基于手机遥控的智能鱼缸控制系统。该系统的下位机部分能够测量温度以及水位并显示在OLED上，同时根据测得的温度或水位与设置的阈值进行比较，若低于阈值则启动加热棒加热或进行自动换水；可以通过设定喂食时间来实现自动喂食，也可以通过手机App点击立即喂食按钮来远程控制喂食。

本设计具有以下两点创新：

1） 与传统鱼缸相比，实现了自动喂食功能，可防止因主人忘记喂食，或长时间出差未喂鱼而导致鱼的饿死现象发生。

2） 手机App 操作简单，可随时查看鱼缸参数信息，并进行远程控制。