基于物联网的智能鱼缸系统设计与实现

李晔 曾昂

摘要：市场上的传统鱼缸不能根据鱼缸环境的变化自动调节温度、pH值、水位和光线，其中大部分鱼缸无法实现自动换水、自动甩油、自动供氧等智能控制功能，无法满足社会大众对于鱼缸的实际需求。针对这一点，该项目开发了一种集多种控制功能于一体的智能水产养殖系统，该系统使用传感器收集鱼缸的温度、pH值、水位等数据。同时，该系统具有自动换水和自动控制功能，解决了传统鱼缸日常生活中的问题，方便了鱼类养殖。

关键词：物联网；智能鱼缸；系统设计；实现路径

一、引言

近年来，随着科技的飞速进步和经济的发展，消费观念与以往有了很大的不同，对物质生活和精神生活质量的要求越来越高。作为智能产品，智能鱼缸深受社会大众的关注与喜爱，智能鱼缸养殖系统是利用网络技术、传感器和计算机技术开发的一种新的现代科学养殖模式。本项目以STM32F103单片机为控制中心，结合安卓的嵌入式技术、传感器技术和开发，开发出满足功能要求的智能水产养殖系统。智能鱼缸系统包括智能温控系统、酸碱智能系统、自动换水系统、自动供氧系统、自动供油系统、自动照明系统、显示系统等子系统，都是集成的。该系统通过WiFi模块连接到移动终端，可远程监控鱼缸温度、pH值、水质变化、供氧、喂食和照明。

二、基于物联网的智能鱼缸系统设计思路

物理网络技术的应用目前对于整个社会的发展进步具有重要意义，智能鱼缸是基于网络技术的家庭科学育种新模式，用户可以通过远程控制了解鱼缸的状况，从而控制相关设备的运行。考虑到现代水产养殖规模和科学发展的要求，对水产养殖生态环境进行科学监测的最重要内容之一就是对其状况进行监测。水产养殖的优点和缺点包括水温、pH值、溶解氧和透明度。不同水生动物对水质参数有不同的要求，随着传感器技术的发展，获得不同类型的传感器信息是可行的。结合先进的计算机信息处理技术，可以实现水质参数的实时数据采集和监测。据水产养殖专家介绍，通过对加热装置、水处理装置和充氧设备的控制，改善水质，以适应水产养殖的需要，形成知识密集、自动化的水产养殖[1]。

本系统采用STM32晶体作为主控制模块，传感器模块收集数据并返回主控制芯片来控制相应的驱动程序。鱼缸的状态显示在屏幕上，并传输到WiFi模块传输到移动终端。通过研究设计，对系统的需求进行了详细的讨论研究，详细介绍了各硬件模块的具体组成部分、正确的芯片选择、电路的稳定性设计等，以及软件的逻辑分析和合理的实现方案，

三、基于物联网的智能鱼缸系统硬件设计要点

（一）水循环模块设计要点

氧气是鱼类在水中生存的重要元素，足够的氧气可以提高鱼的存活率，在没有外界帮助的情况下，主要的氧气来源是水的交换、表面和空气的接触以及鱼缸中的水生植物。因此，为了增加水族箱中溶解的水氧，安装了气泵；泵可以将泵排出水中，然后注入鱼缸。在流动过程中，水增加了与空气的接触，增加了氧气，系统气泵采用立式微型直流电机，直流电源电压为4.5V，水循环由单片机控制。由于单片机输出电流小，不能直接控制直流电流，因此，在电动机和单片机之间增加了驱动电路，当收到下级机床打开水循环开关的信号时，下级机的输出孔水平高，NPN三极管处于ON模式，在水泵中旋转直流电机；收到关机信号时，端口输出低，三极管断开，直流电机停止，驱动电路中的二极管是连续流二极管，当输入三极管电压变为0时，三极管突然由饱和状态变为有限状态，直流电机两侧将产生大的反向电动势，电压超过100伏。这种电压在三极管触发时会损坏三极管，因此，二极管断路器充当三极管的保护[2]。

（二）控制模块设计要点

控制模块由智能遥控套接字组成，只有外部设备必须连接到ROW插座。每個插座连接到5V继电器模块，水族箱环境的自动调节是通过终端的数字I/O开关来实现的，这些开关触发高水平的继电器，同时也通过Zigbee无线网络来实现的。控制模块采用高水平5V光绝缘起动继电器模块，光绝缘使触发器更加安全可靠，高电平触发器是指当触发器末端有输入的高电时，继电器就被打开。该系统将插头绳连接到总端，插头绳的端部连接到普通的封闭端。在系统中，继电器等同于自动关机，设备的远程控制由Zigbeecc2530实现，它控制每个继电器的高、低启动水平。

（三）识别模块设计要点

HBR640语音识别同步模块，该模块使用HBR640模块存储断电后可以存储的闪存数据。工作时不需要更改语音命令。继电器的开启和关闭由语音命令控制，由于语音通信模块提供了更高的识别精度和功能，因此用户无需记录学习材料，只需输入一个声音词或一个可以识别的单词。找到的关键字可以以字符串的形式传输到芯片，例如，在芯片控制程序中，如果安装了芯片寄存器，它可以将光、加热等识别关键字动态传输到芯片中，芯片可以识别这样的关键字设置，并启用灯泡加热装置[3]。

（四）水温模块设计要点

该系统应测量水族箱水温，并直接引导到水族箱水深。因此，采用了DS18B20数字防水温度传感器，通过传感器适配器添加拖放电阻，并与CC2530端口建立I/O数字连接。DS18B20包括温度传感器、温度报警触发器、寄存器和64位ROM，有三个输出：DQ、GND和VDD。其中DQ是数字I/O终端，GND是电源接地，VDD是外部电源的输入端子，数字温度传感器DS18B20具有单线接口，通过适配器连接到数字I/O CC2530端口的DQ终端读取温度数据。同时，ROM有唯一的64位序列号，可以分布在同一总线上进行温度测量，其电源范围为3.0V～5.5V，可通过数据线直接供电，温度测量范围从-55℃到+125℃，适用于鱼缸的水温测量，因为鱼通常能承受0℃到35℃的温度。此外，DS18B20的最大测量延迟为750ms，在-10～+85℃范围内的测量精度为±0.5℃，可调分辨率为9～12位。DS18B20具有短时延时和高精度的特点，适用于温度测量和实时自动控制系统，

（五）光照模块设计要点

充足的照明不仅有利于鱼类的新陈代谢，而且有利于自来水中氯的蒸发，杀死水中的有害细菌。照明控制模块允许实时检测鱼缸环境中的光强度；当光的强度低于鱼缸所需时，较低水平的计算机打开光源，提供足够的光来刺激鱼类和水生植物的生长。在本项目中，BH1750传感器用于检测光照。它是集成在16位电路转换模块中的通用照明控制模块；直接数字输出，减少冗余计算，对光谱特性的视觉灵敏度；它可以测量光强度在宽范围内的变化。测量光照范围1～65 lux，测量精度可达1lux。通过降低功率，达到低电流，传感器模块不易受到红外辐射的影响[4]。

（六）水浊模块设计要点

为了测量水族箱的水混浊度，系统使用水混浊传感器进行实时监测。混浊传感器采用光学原理，由于悬浮粒子在水中的影响，光线进入时会产生散射现象，因此，通过对水体中光速和散射的测量结果，可以计算出水体中悬浮颗粒的含量，即水体中悬浮颗粒的含量。内部传感器主要由红外对、透明光电元件和散射光电元件组成。当光通过水体时，部分被吸收和散射，散射光被光电元件接收，另一部分被透射光接收。在水浑浊度高、透光性少的情况下，测量的电流较小，通过电阻分别将电压转换为0V～5V较小。水浊度单位为NTU，1NTU=1mg/L悬浮颗粒，根据测量结果，1000NTU时浊度约为35.5%，3000 NTU时浊度约为67.2%。因此，当水沉降小于1000NTU时，为低浊度；水的平均浊度在1000NTU和3000NTU之间；当水的混浊率高于30000 NTU时，则为高混浊度，传感器模块由混浊传感器和AD输出选择模块组成，模拟值输出电压为0V～4.5V，数字值输出高度信号。该系统选择模拟输出，由模块化转换器处理，并连接到数字I/O CC2530端口，实现水浊度实时测量。

（七）水位模块设计要点

确保鱼缸水位是智能鱼缸系统的重要指标之一，只有足够的水，鱼才能有足够的回旋余地。超声波测距仪HC-SR04用于测定水位，HC-SR04超声测距模块是一种非接触式测距传感器，测量范围为2～400cm。测量范围可以通过模块上的电阻来调整。模块中的电阻越大，测量距离越大，检测角度越大。最大探测距离为7米，为保证探测距离精度，总电阻调节范围为20～75kQ，射程精度可达3毫米。

该模块具有工作电压宽度大、频率高、波长短、方向性好等特点，整个模块由超声波发射、接收和控制电路三部分组成。当脉冲信号到达水面时，信号返回，接收端检查回波信号并输出回波信号；回波信号接收的脉冲宽度与测量的水位距离成正比。当水位低于设定值时，底部机构通过壳牌平台向设备末端发出警报，警告用户及时补充水，以确保足够的水位[5]。

四、基于物联网的智能鱼缸系统软件实现路径

（一）主程序实现路径

该系统以ArduinoUr3为控制中心，实时采集鱼缸水温、室内湿度、照明强度等数据。用户可以通过控制终端实时查看鱼缸环境数据，并通过控制终端引导相关控制指令。用户可以使用专家系统分析这些数据，通过恒温器和由三个部件组成的循环供氧过滤器连接到控制设备。直流电机（智能电源系统）等设施可实施自动合理的调控，使鱼类的生存条件始终处于最佳状态，达到智能鱼缸的目的。

（二）服务器实现路径

云服务器在将多个协议连接到OneNet平台时使用EDP协议。在网络建设应用与实际设备之间建立高效、稳定、安全的应用平台：面向设备，适应不同网络环境和通用传输协议，为各种硬件终端提供快速的解决方案和设备管理服务；面向应用层，提供丰富的API和数据传播能力，满足不同行业的应用系统开发需求，不需要关注设备连接的生态层建设，缩短了系统形成周期，降低了研发成本。EDP协议适用于需要包含长接触点来控制点的硬件和平台。基于TCP协议的协议只规定将数据包传输到目的地，并不能保证传输顺序与到达顺序相同，这与顶层服务机制相同；如果客户端同时运行两个请求，则返回服务器时不会保证返回消息的顺序。EDP协议适用于永久连接报告、透明传输和传输、存储、活动数据分发等情况。

要在OneNet上创建产品，请选择公共协议连接产品，选择WiFi连接网络，选择ESP266作为模块，选择EDP 5作为硬件访问协议，创建产品后创建硬件，为公众设置数据隐私，创建硬件后创建应用程序，据此，对水族箱温度、室内温度和大气湿度进行记录，编辑应用界面，设置相应的图形按钮，修改相应的数据命令参数按钮，这些按钮可以从计算机网站输入到OneNet平台，进入水族箱控制系统的控制界面，来控制鱼缸的数据[6]。

（三）上位机实现路径

上位机利用HTTTP协议调用OneNet平台API，实时更新鱼缸数据，获取数据采集时间，并在文本文档或本地SQLServer数据库中实时存储数据。用户还可以通过上级机构发布供电控制指令，恒温器、灯具、三位一体电器开关，如果设置了自动读取模式，则根据光强和水温每60秒自动更新一次数据。此外，使用该程序，用户可以通过HTTP协议随时随地调用OneNet平台提供的API，实时更新鱼缸数据，获取数据采集时间，还可以发出命令来控制电源开关、恒温、照明，控制自动读取模式。

五、基于物联网的智能鱼缸系统软件运行调试

该系统根据水位变化监测鱼缸的水量，并根据水位传感器和处理器设定的值定期供水。由于系统有大量的硬件接口，如果所有的电线连接看起来都是无序的。如果出现问题，很难找到原因，可能会出现测量误差和系统通信不稳定。因此，主控制面板应设计成所有硬件接口传感器的模块，该模块可嵌入控制面板，并尽可能集成到其中，以减少通信系统中的干扰。分析网络环境良好时，云平台、PC机、主机和移动app可以在水温变化时实时监测水温变化，但有2～5S的延迟。同样，发出命令也可以有效地实现，表明总体设计和调试达到了预期效果，总体设计已经完成[7]。

六、结束语

总而言之，本项目设计了一个集多种控制功能于一体的智能化鱼缸养殖系统，该系统利用传感器采集鱼缸内的温度、pH值、水位等数据，通过移动应用的实时显示，实现鱼缸环境参数的自动控制。同时具有自动换水、自动上料功能。该系统解决了传统鱼缸每天喂食的困难，为养鱼带来了更大的便利。

作者单位：李晔    曾昂    河北软件职业技术学院网络工程系

参  考  文  献

[1]廖明华，黄育雄.基于物联网平台的智能鱼缸监控系统设计与实现[J].电脑知识与技术：学术版，2022，18（2）：115-117.

[2]袁春梅，刘思念，周杰.基于移动互联网的鱼缸智能监控系统设计[J].信息技术与信息化，2020，（9）：216-218.

[3]叶轩宇，胡泽良，王雪英，等.基于物联网的电梯智能运维系统的设计与实现[J].计算机科学与应用，2022，12（3）：630-641.

[4]张秋晶，林旭珠，邱金波，等.一种基于物联网技术的智能鱼缸养殖系统设计[J].科学技术创新，2021（10）：103-104.

[5]邓旭，张文昊，杨婷婷，等.基于物联网技术的智能鱼缸与盆景一体化系统[J].软件，2020，41（12）：64-66.

[6]徐花芬，袁江婷，孟广学.基于物联网的智能交通系统设计与实现[J].华北科技学院学报，2021，18（1）：96-100.

[7]梁景普，傅卓军.基于物聯网的观赏鱼智能喂养系统设计与实现[J].计算机应用与软件，2022，39（3）：8-13.