1.宁夏大学 宁夏银川 750021；
2.西安铁道技师学院 陕西西安 710038
摘要：随着经济的发展，观赏性鱼缸逐渐进入人们的生活。但是低成本的半自动化鱼缸模块能达到饲养观赏鱼的目的，还存在很多缺点；而高成本的智能鱼缸控制系统，不适用于家家户户。本文设计了一种居家智能鱼缸的生态控制系统，包括温度检测控制模块、PH检测控制模块、水位检测控制模块、WiFi无线传输模块、声光模块、手机APP，通过各种传感器、执行器对观赏鱼的生存环境参数进行采集和控制，并通过WiFi技术将数据传输给手机App终端，实现智能化控制和管理。能够实现自动换水、自动喂食、冷热自动恒温、状态显示。
关键词：居家；智能鱼缸；设计；系统
1导言
随着科学技术的发展进步，生活中的各种器具都带上了智能、全自动的标签，例如智能家居、全自动洗衣机等，这些都为人们的生活提供了极大地便利，渐渐地人们也开始依赖这些器件，并且期待功能更加强大的器件发挥作用。有效的水质管理能让鱼缸水质保持良好的状态，为鱼类的健康成长提供必要的生存条件。现有的鱼缸水质管理产品缺乏有效的水质信息提示，产品检测操作较为繁琐，检测硬件与饲养环境不协调，产品设计不够完善。因此，有必要针对智能鱼缸控制系统进行研究。
2总体设计
智能鱼缸是集成多种传感器与控制设备一体的高档鱼缸。智能鱼缸一般具有多种功能，如智能照明、自动喂食、自动控温等，水质监测只是智能鱼缸的其中一部分功能。市面上的智能鱼缸一般分为单一鱼缸类型和软硬结合鱼缸系统。以森森智能鱼缸为代表的智能鱼缸，将系统信息显示与操作按键全部集成在鱼缸面板上。这种类型的智能鱼缸特点是操控方便，缺点是鱼缸面板面积有限，只能显示简单的信息，如水温、日期，无法获取水质变化的趋势，而且不能远程监控。智能鱼缸涉及自动控制的领域，一切工作都要在无人的情况下按照预先的设计准确的进行下去。目前，关于自动控制的实现方面，只要有单片机以及PLC两类设计方案，PLC多用于生产车间，在体积、成本以及能耗等方面并不具备优势，所以本设计采用单片机控制的方法。本设计的目标是自动的调节水温到适合鱼的范围，要解决的问题主要有温度的检测与调节以及自动的完成换水的工作，为此本设计设置了中央控制系统、传感器系统以及执行系统。其中中央控制系统由单片机构成，主要负责信息的接收与转化以及命令的发布的工作。传感器系统包含温度传感器以及液位传感器，其主要工作为监测环境信息并将该信息传递给中央控制系统。执行系统包括加热棒以及水泵，其要完成的任务为水温的调节以及自动换水的工作。本设计的结构框图如图1所示。
本设计中单片机的型号为STC89C52，温度传感器的型号为DS18B20，对于液位的检测，本设计利用两个红外传感器代替液位传感器对液位的上限以及下线进行监视。由于单片机的输出功率很小，难以直接启动加热棒，因此本设计中利用继电器作为二者之间命令传输的桥梁。本设计中的抽水泵电机为伺服电机。本设计的原理图如图2所示。
图2系统原理图
3智能水质管理产品
3.1智能水质监测器
近年来，随着移动互联网的发展，在水族领域里面，开始出现了智能水质管理设备。以Fishbit为代表是一种集检测与设备控制一体的鱼缸管理系统。系统包括一个检测器、一个专用排插和配套的手机app。检测器可获取水质数据并通过无线网络反馈到用户移动设备app，实现远程查看水质状况。其它水族设备如过滤器、照明灯具等连接专用的控制排插，一能通过app远程进行操控。相比过去的检测产品，F1shbit不仅可以检测水质，而且可以通过手机控制鱼缸其它设备的运作情况，水质异常在手机上会有相应的提醒，但检测器没有任何信息显示。水质信息的呈现仍然以数据的形式呈现，而且检测标准的设定需要用户自行输入具体的数值范围，使得用户需要先掌握相关的养鱼水质知识才能进行操作。
第二种是以Caperplus：为代表的产品，是一款专注于观赏鱼缸水质监测的智一能设备。该产品通过手机app与智能检测器的结合，可实现水质检测、远程监控、和异常报警的功能，但不能控制鱼缸其它水族设备。该产品利用检测传感器获取水质信息并对水质信息进行处理，通过无线网络把数据反馈至手机appo该类产品特点只专注于水质的监测，在硬件与app都有水质信息的显示，硬件体积较为轻巧。但是硬件与软件上显示的水质信息只是简单的数字呈现，用户仍需要根据自身经验进行判断。
3.2主要模块硬件选择及设计
环境光照度模块：目前，多数环境光照度模块的光强采集元件使用一些光电三极管，容易受到环境因素的干扰，使测得数据不准确。所以本设计选用了测光芯片BH1750，较好的解决了其它测光模块的不足。
温度控制模块：采用集成式数字温度传感器DS1820使用单总线的通讯方式，测量范围与鱼缸温度相适合，具有使用方便，不需为之搭建电路；多点组网，连接多个传感器，实现多点测温的优点。
水位检测模块：采用超声波传感器，当它的两极加上电压后，产生超声波，当超声波返回时，产生位电信号，得到距离值。继电器控制模块：为了避免当水位过低或过高时开启水泵，或鱼缸增氧时开启气泵，使得功率增高，导致MCU供电不足的情况，选择使用继电器模块来控制。
自动喂食器控制模块：自动喂食器的喂食过程由两个舵机先后转动产生。舵机由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统。通过接受PWM波，对PWM波的占空比进行分析，转动相应角度。
3.3软件设计
本设计要实现的目标是水温的自动调节以及自动换水，具体的实施为：
（1）定时的进行换水工作。（2）检测水温，当水温高于设定值时，进行换水工作进行降温。当水温过低时，启动加热棒进行升温，直到水温达到设定值为止。对于换水工作的完成，主要利用单片机内部的计时器进行计时，当时间到达设定时间时，抽水电机启动，水位减低，直到红外传感器1检测到水位下降到设定值时，抽水电机停止工作。此时放水电机工作，水位上涨，直到红外传感器2检测到水位上升到设定值时，放水电机停止工作。本设计利用DS18B20检测水温，当水温过高时，启动换水工作，直到水温正常。当水温过低时，单片机命令继电器吸合，进而控制加热棒电路开启进行加热，直到水温达到预定值。
3.4PH检测和控制
PH检测通过MIK-PH160来检测，Stm32f103通过RS485通信协议读取检测的PH数值。PH的控制主要根据检测的PH数值来是控制过滤器的开启和关闭，实现适合鱼生长的水环境的酸碱性。
3.5wifi无线通信
系统通过WiFi模块实现Stm32f103与手机端的连接，其中Stm32f103与WiFi模块的连接是通过串口进行实现，通过WiFi无线传输模块，Stm32f103能将各传感器采集的相关参数传输给手机端显示，同时也能根据手机端的指示控制对应的执行器执行相应的操作。
结束语
综上所述，本设计通过对智能鱼缸控制系统的全部功能。设计得到产品，能通过各项调试，并长时间工作，系统可靠性与稳定性值得肯定。并且在使用状态显示主界面上，有着不错的体验感和操作感。该设计也是自动控制的一个具体的案例，本设计的思想在自动控制领域应用也非常广泛，是一个成功的设计。
参考文献：
[1]丁惠忠.观赏鱼缸智能控制系统的设计[D].苏州大学，2007.
[2]唐颖单片机原理与应用及C51程序设计[M]北京：北京大学出版社2008：225-229
论文作者:李云舒1,李上2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/26
标签：鱼缸论文; 水质论文; 智能论文; 模块论文; 水温论文; 传感器论文; 工作论文; 《基层建设》2019年第5期论文;