2024年2月14日发(作者：喻瑾)

基于物联网的鱼缸智能控制系统设计与实现

刘伟;林开司;刘安勇

【摘 要】针对目前室内观赏鱼采用以人工喂养为主的现状,设计并开发了一种多功能的室内观赏鱼缸智能控制系统,从软硬件设计两方面提出了设计方案.该系统以嵌入式芯片STM32F103为控制核心,实现对智能鱼缸的自动控制,并可通过无线摄像头实现对智能鱼缸的远程监控.通过CorteX-A8为内核的物联网控制网关实现与控制板之间的串口通信,由无线路由器发送无线信号,并通过Web在手持终端上实现对智能鱼缸的远程无线控制.该系统操作简便,成本低廉,经过较长时间的运行测试表明,稳定可靠,具有一定的市场应用推广价值.

【期刊名称】《淮海工学院学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2016(025)004

【总页数】4页(P1-4)

【关键词】智能鱼缸;STM32F103;串口通讯;Cortex-A8

【作 者】刘伟;林开司;刘安勇

【作者单位】铜陵职业技术学院电气工程系,安徽铜陵 244061;铜陵职业技术学院电气工程系,安徽铜陵 244061;安徽福讯信息技术有限公司,安徽合肥 230031

【正文语种】中 文

【中图分类】TP393

随着人们物质生活的改善和欣赏能力的提髙,作为室内观赏鱼养殖的观赏鱼缸越来越多地进入人们的生活,广泛出现在家庭、宾馆、饭店及会议室等人群聚集的场所.

据观察,这些场所观赏鱼的喂养,大多是人工操作,既增加了成本,又给人们带来了很大的麻烦.为解决人工喂养室内观赏鱼的不便,本文设计的一种多功能观赏鱼缸智能控制系统以嵌入式芯片STM32F103为控制核心,综合利用嵌入式和物联网技术,通过相关传感器的应用,实现鱼缸水温恒定、定时自动喂食、自动换水、自动控制水位、自动加氧等功能;并可根据需要增加控制参数,通过选择不同元器件控制成本；另外还可通过系统中的通信模块,实现对鱼缸的远程控制和管理,通过WiFi摄像头,还可以实现对智能鱼缸的远程监控[1-3].

1.1 系统描述

智能鱼缸控制系统由控制和物联网网关两个部分组成.控制部分以Cortex-M3为内核的STM32F103为核心,实现对各种控制参数的设置、存储、显示和处理;控制网关部分以Cortex-A8为内核的S5PV210作为核心处理器,实现与STM32F103之间的串口通信,还可以通过Web对鱼缸的各种参数进行实时在线监控和重新设置调整.系统的设计融入了嵌入式和物联网技术,整个系统由自动恒温系统、自动/定时充氧系统、自动加料系统、自动水循环系统、自动水位控制系统、远程监控系统等几个子系统组成[4].各子系统与智能测控终端通过控制线连接,另外通过S5PV210网关与控制核心STM32F103之间进行通信,可在手持终端上控制鱼缸各功能的实现,另外还可通过无线摄像机对智能鱼缸进行实时状态监控.

1.2 系统结构

系统的结构如图1所示.

1.3 系统控制参数

通过对鱼缸的控制,系统能起到自动调节的作用,以提供水族最适宜的水质和生活环境[5].

表1显示了对智能鱼缸各参数的控制和处理.

本系统以STM32F103为智能测控终端,以S5PV210为物联网网关,组成一个可以

通过各种终端,利用Web对鱼缸进行实时监测的系统.该系统放置在鱼缸外独立运行,通过输入输出接口实现控制指令的发送和检测信号的反馈,在网关的控制下实现各部分之间的通信.从总体上讲,该系统硬件设计包括控制、实时监控和输入输出3大部分,其硬件结构框图如图2所示.

2.1 控制电路

该控制电路[6]以STM32F103单片机为核心,包括电源电路、时钟电路、复位电路、温度控制等模块.终端上控制鱼缸各功能的实现,另外还可通过无线摄像机对智能鱼缸进行实时状态监控.

2.1.1 电源电路设计 进行电源设计时,首先要考虑的是电路的低噪声和稳定性.影响噪声和稳定性的主要因素就是电源线和地线的设计[7].

电路中除了单片机供电使用3.3 V外,还需要有5 V电源作为蜂鸣器和继电器等其他一些器件的供电电源.供电时采用5 V供电方式,用LM1117-3.3V芯片将5 V电压输出为3.3 V,供给单片机及其他芯片使用.电源板的5 V供电采用两路接口,一路使用USB接口,一路使用SW-PB5V稳压电源插孔,设计两路供电可确保供电稳定性和可靠性.2.1.2 时钟电路设计 通过时钟电路为STM32F103提供72 MHz的时钟频率,在72 MHz下运行的Cortex-M3内核可以完成高端计算.

2.1.3 复位电路设计 复位电路就是当系统的RESET端子接到高电平时,处理器作出的复位动作.STM32的复位端子在上电和断电状态,都可以使系统复位.当系统提供2 V电源时,系统处于正常工作状态.当电压值小于2 V时,系统就会复位.

2.1.4 温度控制模块 通过温度传感器实现鱼缸内水温的采集并实时监控,温度传感器可以采用PT100温度传感器,它是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表[8-9].

2.2 嵌入式Web Server服务器

为了实现通过移动终端在线对鱼缸的状态进行监控,可以使用Web浏览器,通过以

太网远程访问WiFi摄像机,一方面实现对鱼缸工作状态的远程监控,另一方面通过Web服务器向智能鱼缸发送控制指令来控制鱼缸的工作.

2.2.1 嵌入式Web服务器Boa的工作过程 Boa是一种单任务的HTTP服务器,处理速度快、效率高.嵌入式Web服务器Boa能够接受客户的请求并保存信息,同时对不同的用户请求作出不同响应并进行及时相应的处理,处理完信息后,将信息发给客户端浏览器并关闭与客户端设备的TCP连接[10].

2.2.2 网络监控功能的实现 将Boa移植到基于Linux平台的ARM处理器核心芯片上,就可以建立一种嵌入了Boa的嵌入式服务器,通过HTTP接入方式来实现对远程系统的网络监控.

软件设计主要包括嵌入式网关和STM32单片机间的通信、在网关上运行的嵌入式Web的程序设计及应用STM32单片机对鱼缸的各种功能的控制程序设计.STM32单片机对鱼缸的控制功能主要有实时温度的检测、水位的控制以及喂料控制等[11].另外为了实现各种功能的多任务独立工作,首先对STM32移植了uC/OS-ii实时操作系统,让程序运行在uC/OS操作系统上,实现多任务的功能.

3.1 系统总体工作流程

本系统是通过移动终端,在局域网内通过Web在线实现对温度、水位及加料的控制,并通过无线摄像机对鱼缸状况进行实时监控,流程图见图3.

3.2 主要控制部分工作流程

3.2.1 温度采集与控制 本系统可通过移动终端的Web发出指令,通过加热棒对鱼缸内的水加热,然后通过铂电阻PT100对温度进行采集,再将采集的电阻值通过温度变送器转换为电压后送单片机处理,并与用户进行交换.其程序流程图见图4.

3.2.2 液位监测与控制 通过液位开关采集液位状态,并将信号送入控制单元进行处理.当液位超出限定时自动启动电磁阀进行进、排水,也可通过移动终端手动操作进、排水.系统流程见图5.

本系统的测试设备主要包括智能手机、平板电脑等移动终端,组成局域网所需的无线路由器以及对鱼缸状态环境进行监控的无线摄像机.通过移动终端观看鱼缸状态,并可通过移动终端发出相应指令控制鱼缸的各种参数,系统也可以自动完成恒温、水位控制等功能.

在移动终端上可以显示鱼缸的实时温度,同时也可以根据系统设置的温度自动进行调节,使鱼缸处于恒温状态.

可以通过移动终端控制鱼缸的水位,通过点击移动终端上加水和排水按钮的操作,实现加水和排水、由于受到条件限制,测试时加水通过电磁阀的转动来模拟加水过程.

加料也可以通过移动终端来进行控制,通过点击移动终端上加料按钮实现加料,也可通过程序控制进行定时加料.同样受条件限制,这里加料测试通过控制加料运输带的电机转动来进行模拟加料.

通过较长时间的运行测试,表明该控制系统可

以实现在局域网内通过移动终端对鱼缸进行在线监控,并对鱼缸的温度、液位以及是否加料等进行控制,同时可以通过无线摄像头进行实时监控,实现观赏鱼的自动饲养.

本文对一种多功能的室内观赏鱼智能鱼缸控制系统进行研究和实践,给出了系统的总体设计思路,并且从软硬件两方面对设计进行了描述.

主要特色是利用物联网技术设计和实现了在局域网内利用移动终端、无线摄像机对鱼缸的工作状态进行实时监控,通过访问Web实现对鱼缸功能的远程控制.本系统还可以接入到家庭物联网系统中,作为智能家居的重要组成部分.

该系统设计灵活、操作简便,运行稳定可靠、成本低廉,易于规模化生产,具有一定的市场应用推广前景.后面将针对水质和水的含氧量等参数作进一步的研究.

【相关文献】

[1] 吕梦邹,刘志刚.基于嵌入式网络控制技术的智能鱼缸系统设计[J].现代建设,2012,11(3):34-35.

[2] 宋联兴,王海凯,方欢,等.一种新型智能鱼缸的研究[J].山西电子技术,2015(6):82-83.

[3] 丁惠忠.观赏鱼缸智能控制系统的设计[D].苏州:苏州大学,2007.

[4] 葛华.鱼缸智能控制系统的设计与开发[J].科技咨询导报,2007(5):146-147.

[5] 孔祥洪,王伟杰,宋连伟,等.观赏鱼缸智能控制器的仿真设计[J].实验室研究与探索,2013,32(5):12-15.

[6] 王珍娟,宋正刚.鱼缸智能控制器的设计[J].甘肃科技,2012,28(9):72-74.

[7] 潘凌锋.基于STM32的恒温混水阀控制器的设计与实现[D].杭州:杭州电子科技大学,2011.

[8] 王超,唐浩,黄林.基于PT100型铂热电阻的温度测量和控制系统[J].仪表技术,2013(2):28-34.

[9] 屈平.煤堆温度监测系统设计[J].黑龙江科技信息,2013(23):39.

[10] 陆永健,王萍,吴佳,等.嵌入式Web服务器Boa的移植及其应用[J].河海大学常州分校学报,2005,19(4):44-47.

[11] 支元,王登科.基于嵌入式系统智能鱼缸的设计与实现[J].电脑知识与技术,2015,11(29):155-156.

2024年2月14日发(作者：喻瑾)

基于物联网的鱼缸智能控制系统设计与实现

刘伟;林开司;刘安勇

【摘 要】针对目前室内观赏鱼采用以人工喂养为主的现状,设计并开发了一种多功能的室内观赏鱼缸智能控制系统,从软硬件设计两方面提出了设计方案.该系统以嵌入式芯片STM32F103为控制核心,实现对智能鱼缸的自动控制,并可通过无线摄像头实现对智能鱼缸的远程监控.通过CorteX-A8为内核的物联网控制网关实现与控制板之间的串口通信,由无线路由器发送无线信号,并通过Web在手持终端上实现对智能鱼缸的远程无线控制.该系统操作简便,成本低廉,经过较长时间的运行测试表明,稳定可靠,具有一定的市场应用推广价值.

【期刊名称】《淮海工学院学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2016(025)004

【总页数】4页(P1-4)

【关键词】智能鱼缸;STM32F103;串口通讯;Cortex-A8

【作 者】刘伟;林开司;刘安勇

【作者单位】铜陵职业技术学院电气工程系,安徽铜陵 244061;铜陵职业技术学院电气工程系,安徽铜陵 244061;安徽福讯信息技术有限公司,安徽合肥 230031

【正文语种】中 文

【中图分类】TP393

随着人们物质生活的改善和欣赏能力的提髙,作为室内观赏鱼养殖的观赏鱼缸越来越多地进入人们的生活,广泛出现在家庭、宾馆、饭店及会议室等人群聚集的场所.

据观察,这些场所观赏鱼的喂养,大多是人工操作,既增加了成本,又给人们带来了很大的麻烦.为解决人工喂养室内观赏鱼的不便,本文设计的一种多功能观赏鱼缸智能控制系统以嵌入式芯片STM32F103为控制核心,综合利用嵌入式和物联网技术,通过相关传感器的应用,实现鱼缸水温恒定、定时自动喂食、自动换水、自动控制水位、自动加氧等功能;并可根据需要增加控制参数,通过选择不同元器件控制成本；另外还可通过系统中的通信模块,实现对鱼缸的远程控制和管理,通过WiFi摄像头,还可以实现对智能鱼缸的远程监控[1-3].

1.1 系统描述

智能鱼缸控制系统由控制和物联网网关两个部分组成.控制部分以Cortex-M3为内核的STM32F103为核心,实现对各种控制参数的设置、存储、显示和处理;控制网关部分以Cortex-A8为内核的S5PV210作为核心处理器,实现与STM32F103之间的串口通信,还可以通过Web对鱼缸的各种参数进行实时在线监控和重新设置调整.系统的设计融入了嵌入式和物联网技术,整个系统由自动恒温系统、自动/定时充氧系统、自动加料系统、自动水循环系统、自动水位控制系统、远程监控系统等几个子系统组成[4].各子系统与智能测控终端通过控制线连接,另外通过S5PV210网关与控制核心STM32F103之间进行通信,可在手持终端上控制鱼缸各功能的实现,另外还可通过无线摄像机对智能鱼缸进行实时状态监控.

1.2 系统结构

系统的结构如图1所示.

1.3 系统控制参数

通过对鱼缸的控制,系统能起到自动调节的作用,以提供水族最适宜的水质和生活环境[5].

表1显示了对智能鱼缸各参数的控制和处理.

本系统以STM32F103为智能测控终端,以S5PV210为物联网网关,组成一个可以

通过各种终端,利用Web对鱼缸进行实时监测的系统.该系统放置在鱼缸外独立运行,通过输入输出接口实现控制指令的发送和检测信号的反馈,在网关的控制下实现各部分之间的通信.从总体上讲,该系统硬件设计包括控制、实时监控和输入输出3大部分,其硬件结构框图如图2所示.

2.1 控制电路

该控制电路[6]以STM32F103单片机为核心,包括电源电路、时钟电路、复位电路、温度控制等模块.终端上控制鱼缸各功能的实现,另外还可通过无线摄像机对智能鱼缸进行实时状态监控.

2.1.1 电源电路设计 进行电源设计时,首先要考虑的是电路的低噪声和稳定性.影响噪声和稳定性的主要因素就是电源线和地线的设计[7].

电路中除了单片机供电使用3.3 V外,还需要有5 V电源作为蜂鸣器和继电器等其他一些器件的供电电源.供电时采用5 V供电方式,用LM1117-3.3V芯片将5 V电压输出为3.3 V,供给单片机及其他芯片使用.电源板的5 V供电采用两路接口,一路使用USB接口,一路使用SW-PB5V稳压电源插孔,设计两路供电可确保供电稳定性和可靠性.2.1.2 时钟电路设计 通过时钟电路为STM32F103提供72 MHz的时钟频率,在72 MHz下运行的Cortex-M3内核可以完成高端计算.

2.1.3 复位电路设计 复位电路就是当系统的RESET端子接到高电平时,处理器作出的复位动作.STM32的复位端子在上电和断电状态,都可以使系统复位.当系统提供2 V电源时,系统处于正常工作状态.当电压值小于2 V时,系统就会复位.

2.1.4 温度控制模块 通过温度传感器实现鱼缸内水温的采集并实时监控,温度传感器可以采用PT100温度传感器,它是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表[8-9].

2.2 嵌入式Web Server服务器

为了实现通过移动终端在线对鱼缸的状态进行监控,可以使用Web浏览器,通过以

太网远程访问WiFi摄像机,一方面实现对鱼缸工作状态的远程监控,另一方面通过Web服务器向智能鱼缸发送控制指令来控制鱼缸的工作.

2.2.1 嵌入式Web服务器Boa的工作过程 Boa是一种单任务的HTTP服务器,处理速度快、效率高.嵌入式Web服务器Boa能够接受客户的请求并保存信息,同时对不同的用户请求作出不同响应并进行及时相应的处理,处理完信息后,将信息发给客户端浏览器并关闭与客户端设备的TCP连接[10].

2.2.2 网络监控功能的实现 将Boa移植到基于Linux平台的ARM处理器核心芯片上,就可以建立一种嵌入了Boa的嵌入式服务器,通过HTTP接入方式来实现对远程系统的网络监控.

软件设计主要包括嵌入式网关和STM32单片机间的通信、在网关上运行的嵌入式Web的程序设计及应用STM32单片机对鱼缸的各种功能的控制程序设计.STM32单片机对鱼缸的控制功能主要有实时温度的检测、水位的控制以及喂料控制等[11].另外为了实现各种功能的多任务独立工作,首先对STM32移植了uC/OS-ii实时操作系统,让程序运行在uC/OS操作系统上,实现多任务的功能.

3.1 系统总体工作流程

本系统是通过移动终端,在局域网内通过Web在线实现对温度、水位及加料的控制,并通过无线摄像机对鱼缸状况进行实时监控,流程图见图3.

3.2 主要控制部分工作流程

3.2.1 温度采集与控制 本系统可通过移动终端的Web发出指令,通过加热棒对鱼缸内的水加热,然后通过铂电阻PT100对温度进行采集,再将采集的电阻值通过温度变送器转换为电压后送单片机处理,并与用户进行交换.其程序流程图见图4.

3.2.2 液位监测与控制 通过液位开关采集液位状态,并将信号送入控制单元进行处理.当液位超出限定时自动启动电磁阀进行进、排水,也可通过移动终端手动操作进、排水.系统流程见图5.

本系统的测试设备主要包括智能手机、平板电脑等移动终端,组成局域网所需的无线路由器以及对鱼缸状态环境进行监控的无线摄像机.通过移动终端观看鱼缸状态,并可通过移动终端发出相应指令控制鱼缸的各种参数,系统也可以自动完成恒温、水位控制等功能.

在移动终端上可以显示鱼缸的实时温度,同时也可以根据系统设置的温度自动进行调节,使鱼缸处于恒温状态.

可以通过移动终端控制鱼缸的水位,通过点击移动终端上加水和排水按钮的操作,实现加水和排水、由于受到条件限制,测试时加水通过电磁阀的转动来模拟加水过程.

加料也可以通过移动终端来进行控制,通过点击移动终端上加料按钮实现加料,也可通过程序控制进行定时加料.同样受条件限制,这里加料测试通过控制加料运输带的电机转动来进行模拟加料.

通过较长时间的运行测试,表明该控制系统可

以实现在局域网内通过移动终端对鱼缸进行在线监控,并对鱼缸的温度、液位以及是否加料等进行控制,同时可以通过无线摄像头进行实时监控,实现观赏鱼的自动饲养.

本文对一种多功能的室内观赏鱼智能鱼缸控制系统进行研究和实践,给出了系统的总体设计思路,并且从软硬件两方面对设计进行了描述.

主要特色是利用物联网技术设计和实现了在局域网内利用移动终端、无线摄像机对鱼缸的工作状态进行实时监控,通过访问Web实现对鱼缸功能的远程控制.本系统还可以接入到家庭物联网系统中,作为智能家居的重要组成部分.

该系统设计灵活、操作简便,运行稳定可靠、成本低廉,易于规模化生产,具有一定的市场应用推广前景.后面将针对水质和水的含氧量等参数作进一步的研究.

【相关文献】

[1] 吕梦邹,刘志刚.基于嵌入式网络控制技术的智能鱼缸系统设计[J].现代建设,2012,11(3):34-35.

[2] 宋联兴,王海凯,方欢,等.一种新型智能鱼缸的研究[J].山西电子技术,2015(6):82-83.

[3] 丁惠忠.观赏鱼缸智能控制系统的设计[D].苏州:苏州大学,2007.

[4] 葛华.鱼缸智能控制系统的设计与开发[J].科技咨询导报,2007(5):146-147.

[5] 孔祥洪,王伟杰,宋连伟,等.观赏鱼缸智能控制器的仿真设计[J].实验室研究与探索,2013,32(5):12-15.

[6] 王珍娟,宋正刚.鱼缸智能控制器的设计[J].甘肃科技,2012,28(9):72-74.

[7] 潘凌锋.基于STM32的恒温混水阀控制器的设计与实现[D].杭州:杭州电子科技大学,2011.

[8] 王超,唐浩,黄林.基于PT100型铂热电阻的温度测量和控制系统[J].仪表技术,2013(2):28-34.

[9] 屈平.煤堆温度监测系统设计[J].黑龙江科技信息,2013(23):39.

[10] 陆永健,王萍,吴佳,等.嵌入式Web服务器Boa的移植及其应用[J].河海大学常州分校学报,2005,19(4):44-47.

[11] 支元,王登科.基于嵌入式系统智能鱼缸的设计与实现[J].电脑知识与技术,2015,11(29):155-156.