白春雨 吳紅海 趙懷冬 陳麗妮 韓丹

摘 要：隨著人們生活水平的提高，養(yǎng)魚已經(jīng)成為大多數(shù)人的愛好。針對(duì)目前市面上魚缸種類繁多，且多為手動(dòng)控制的情況，本系統(tǒng)以STM32F103ZET6嵌入式微處理器為核心，并通過相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)魚缸的智能控制，完成了對(duì)魚缸的溫度檢測(cè)、PH值檢測(cè)、水位檢測(cè)和自動(dòng)喂食等功能，并可以將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過GSM模塊發(fā)送到用戶的手機(jī)上，提供實(shí)時(shí)信息，大大提高了魚的存活率。

關(guān)鍵詞：智能魚缸；智能控制；STM32

隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的人們開始著力尋求自己的業(yè)余生活以此來提高自己的生活質(zhì)量。因此養(yǎng)魚成為了大多數(shù)人的選擇，然而各種名貴的魚類對(duì)其生態(tài)環(huán)境具有很高的要求，可往往如此在一個(gè)很小的魚缸中是很難達(dá)到這類魚所需的所有生態(tài)環(huán)境之需，比如說魚缸中的水溫，換水時(shí)間，含氧量，食物量，PH值等，這些在一個(gè)魚缸中是很難達(dá)到一個(gè)自然平衡的狀態(tài)，所以經(jīng)常導(dǎo)致養(yǎng)的一些名貴魚死亡而帶來一些不必要的損失。

由于在這種剛性需求的條件下，智能魚缸由此產(chǎn)生，它結(jié)合了多種魚類對(duì)不同生態(tài)環(huán)境的需求，如調(diào)控后還不滿足所需環(huán)境，主機(jī)就會(huì)繼續(xù)下達(dá)命令，然后繼續(xù)對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到一個(gè)允許的偏差范圍內(nèi)。在此生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控下可以大大的提高養(yǎng)魚存活率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)，其屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3。主要模塊有傳感器模塊、自動(dòng)喂食模塊、主控模塊、電源模塊和顯示模塊及GSM模塊。系統(tǒng)總體框圖如下所示：

1.1 主控模塊

本課題的主控是STM32F103ZET6，屬中低端的32位ARM微控制器。Cortex-M3內(nèi)核采用ARM V7構(gòu)架，支持Thumb-2指令集。模塊主板集成了FSMC、TIMER SPI、I2C、 SDIO、ADC、DAC、RTC、DMA等眾多外設(shè)及功能。智能魚缸的控制系統(tǒng)最重要的是實(shí)時(shí)、精確，而STM32F103ZET6具有優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能，84個(gè)中斷，16級(jí)可編程優(yōu)先級(jí)，足以滿足系統(tǒng)需求。

1.2 電源模塊

本模塊采用AS1117-3.3芯片，實(shí)現(xiàn)電壓由5V轉(zhuǎn)化為3.3V。AS1117-3.3是低壓差的線性穩(wěn)壓器，可以輸出穩(wěn)定的低壓。

1.3 顯示及GSM模塊

本模塊通過溫度傳感器、PH檢測(cè)器和水位檢測(cè)器測(cè)得的數(shù)據(jù)，用GSM模塊的發(fā)送到用戶的手機(jī)上，以便實(shí)時(shí)掌握家中魚缸的情況。顯示模塊采用2.8寸的16位真彩觸摸顯示屏TFTLCD，并以STM32的FSMC接口控制TFTLCD的顯示。讀取短信需要將GSM模塊返回的 UNICODE 編碼字符串轉(zhuǎn)換為 GBK/ASCII 碼來顯示。

1.3.1顯示控制

在16位模式下，ILI9341采用RGB565格式存儲(chǔ)顏色數(shù)據(jù)，這樣STM32的16位數(shù)據(jù)，最低5位代表藍(lán)色，中間6位為綠色，最高5位為紅色。

在設(shè)置x坐標(biāo)的時(shí)候，只需要帶2個(gè)參數(shù)即可，也就是設(shè)置SC即可，因?yàn)槿绻鸈C沒有變化，這里只需要設(shè)置一次即可（在初始化 ILI9341 的時(shí)候設(shè)置），從而提高速度。

選用FSMC的同步突發(fā)訪問方式，此時(shí)需要的設(shè)置的時(shí)間參數(shù)有 2 個(gè)：1）HCLK 與 FSMC_CLK 的分頻系數(shù)（CLKDIV），可以為 2～16 分頻；2）同步突發(fā)訪問中獲得第 1 個(gè)數(shù)據(jù)所需要的等待延遲（DATLAT）。

FSMC 綜合了 SRAM/ROM、PSRAM 和 NOR Flash 產(chǎn)品的信號(hào)特點(diǎn)，有 4 種不同的異步時(shí)序模型，這里使用異步模式 A（ModeA）方式來控制 TFTLCD，模式 A 的寫操作時(shí)序如圖2所示：

1.3.2 GSM短信的發(fā)送

當(dāng)GSM模塊做完初始化工作后，首先要發(fā)出AT看是否連接到了GSM網(wǎng)絡(luò)，得到OK答復(fù)后設(shè)置短消息發(fā)送模式，然后就要通過AT+CMGF來設(shè)置短消息的模式：AT+CMGF=0表示設(shè)置為PDU模式，AT+CMGF=1表示設(shè)置為TEXT文本模式，本文選擇的是TEXT文本模式，回復(fù)響應(yīng)為OK說明短消息格式設(shè)置成功。AT+CMGS為發(fā)送短消息的命令，AT+CMGS=“13755657812”表示短消息是發(fā)送給手機(jī)號(hào)碼為“13755657812”的手機(jī)用戶的。輸入16進(jìn)制0x1A（ASCII碼）后回復(fù)響應(yīng)為OK就說明短信內(nèi)容為HELLO HELLO”的短消息已經(jīng)發(fā)送到手機(jī)號(hào)碼為“13755657812”的手機(jī)用戶成功。這樣GSM模塊就可以發(fā)送短消息了。

1.4 檢測(cè)模塊

1.4.1溫度檢測(cè)

溫度檢測(cè)采用T探頭采用DS18B20溫度傳感器芯片，芯片每個(gè)引腳均用熱縮管隔開，防止短路，內(nèi)部封膠，防水防潮，防生銹，不銹鋼頭引線1米，鋼管6*50，每個(gè)探頭經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試，3.0～5.0V供電，9～12位可調(diào)分辨率，側(cè)量精度：正負(fù)0.5度，感溫范圍寬-55～125攝氏度，無需外部元件，獨(dú)特的單總線接口，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極小的溫度延遲?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適應(yīng)于惡劣環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)試當(dāng)溫度變化時(shí)，R21 的阻值隨之發(fā)生變 化，電橋平衡被破壞，電橋兩端的壓差經(jīng)過放大后輸出一個(gè)電壓。客戶可根據(jù)此電壓值反推出電橋之間壓差，計(jì)算出 R21 的阻值，在對(duì)照阻值不溫度的對(duì)應(yīng)表，得出溫度。

1.4.2 PH值檢測(cè)

PH傳感器模塊是一款價(jià)格低廉，使用方便，可進(jìn)行二次開發(fā)的 PH 值計(jì)檢測(cè)傳感器模塊.該模塊可 以不多種類型的單片機(jī)ADC口連接。具有連線簡(jiǎn)單、方便實(shí)用等特點(diǎn)。模塊具有電源指示燈、BNC接口，使用時(shí)，將 PH 傳感器連接到板載的 BNC 接口，傳感器的電極采用玻璃電極不參比電極組合在一起的塑殼丌可填充式復(fù)合電極，是 PH 計(jì)測(cè)量元件，用來測(cè)量水溶液中的氫離子活度，即PH值。

1.4.3水位檢測(cè)

液位傳感器是利用紅外光學(xué)原理，將檢測(cè)的液位，液面信號(hào)通過光學(xué)傳遞，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，通過傳感器采集的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷液位情況。該傳感器設(shè)計(jì)緊湊，體積小巧，防水，圓柱外形方便鉆孔安裝；可以上置，下置，側(cè)向。斜向安裝。傳感器頭部光順，清洗容易，而且精度更優(yōu)越于浮子式液位開關(guān)，可控精度在正負(fù)0.5mm之內(nèi)，而現(xiàn)有常用的浮子式液位開關(guān)精度為正3.0mm。

液位安裝如下圖所示：

1.4.4自動(dòng)喂食

本模塊主要實(shí)現(xiàn)主人不在家時(shí)自動(dòng)投食的功能。該模塊有良好的用戶交互界面，可手動(dòng)設(shè)定喂食的時(shí)間、次數(shù)、數(shù)量等，計(jì)時(shí)精確，工作穩(wěn)定。工作原理：模塊內(nèi)置精確的控制芯片，可根據(jù)設(shè)定的時(shí)間定時(shí)驅(qū)動(dòng)微型減速電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)飼料掉落到魚缸，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間即可控制每次投食量。

模塊系統(tǒng)框圖如下：

2 結(jié)語

本系統(tǒng)采用紅外發(fā)射器和一系列傳感器，根據(jù)主控器stm32設(shè)定的程序指令控制魚缸中的生態(tài)系統(tǒng)平衡，讓魚缸中養(yǎng)的各種魚的成活率達(dá)到最高化。本文詳細(xì)介紹了該魚缸的結(jié)構(gòu)設(shè)置以及其工作方式，它具有成本低，可靠性高的特點(diǎn)，能最大化的保證魚缸中的生態(tài)平衡。

參考文獻(xiàn)：

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注：河南科技大學(xué)大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃（SRTP）經(jīng)費(fèi)資助