【论文复现】STM32设计的物联网智能鱼缸
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❀STM32设计的物联网智能鱼缸
【1】项目功能介绍
随着居民生活品质的提升，家居空间内的绿色生态理念与健康生活方式日益受到人们的青睐。鱼缸，作为家居美化的一环，不仅要求外观雅致，更需兼顾鱼类的健康及其所居环境的优劣。为此，一款基于STM32技术的智能鱼缸系统应运而生。
该系统深度融合多种感知元件，实现了鱼缸内环境指标的即时监控与智能调控。通过水质透明度传感器，精确把握鱼缸水质的清澈程度；采用防水型温度探头，确保水温维持在鱼类适宜的范围内；光感应元件则依据光照强度灵活调整鱼缸照明，营造适宜的光照环境；同时，配备氨气探测传感器，监控鱼缸内的氨气浓度，助力构建良好的硝化系统。
更进一步，该系统融入了远程操控功能，用户可通过微信小程序轻松查阅鱼缸的各项环境数据，并自由设定增氧泵的工作间隔、水温阈值及系统运行模式。这一设计让用户在任何地点都能随时掌握鱼缸状态，按需调整环境参数，为鱼儿打造一个更加舒适的栖息地。
在硬件配置上，系统选用了STM32F103RCT6作为核心处理器，其高性能与低功耗特性完美契合系统需求。防水温度传感器DS18B20以其防水、耐高温及高精度特点，成为鱼缸环境的理想选择；MQ137氨气传感器则能有效监测鱼缸内的氨气水平；WIFI模块ESP8266，凭借低功耗与高速传输能力，保障了系统数据的流畅传输。水质透明度通过专用传感器监测，而增氧泵与加热棒则通过继电器实现精准控制。
综上所述，这款集多种传感器与远程操控于一体的智能鱼缸系统，不仅为鱼类的健康与生存环境提供了坚实保障，更以其美观大方、实用便捷的特点，成为家庭、办公室等空间的优选装饰。
【2】设计需求总结
核心功能需求概述：
- 水质监控与警示：利用浑浊度传感器实时检测鱼缸水质，一旦水质指标超出预设的安全范围，系统将自动点亮红色LED灯，提示用户需进行换水操作；反之，若水质达标，则显示绿色LED灯，表示水质良好。
- 智能温控系统：防水型温度传感器DS18B20负责监测水温，当水温低于用户设定的下限值时，系统将自动启动加热装置，确保鱼缸内水温维持在适宜鱼类生存的范围内。
- 光照自动调节：通过光敏电阻传感器监测环境光线强度，在自动模式下，若光线低于预设阈值，系统将自动开启鱼缸照明设备，为鱼儿提供充足的光照条件。
- 氨气监测与预警：MQ137氨气传感器用于监测鱼缸内的氨气浓度，一旦发现氨气存在，即点亮红色LED灯以示警告，表明鱼缸的硝化系统可能出现问题；若氨气浓度在安全范围内，则显示绿色LED灯，表示鱼缸环境健康。
- 定时增氧功能：系统支持用户设定增氧泵的开启间隔时间，实现定时增氧，以维持鱼缸内溶解氧的含量，促进鱼类健康成长。
云端互联与远程监控：设备端采集的所有数据，包括水质、水温、光强等，均通过ESP8266 WIFI模块上传至腾讯云IOT平台。用户只需通过微信小程序，即可随时随地查看鱼缸的各项环境参数。 - 远程配置与控制：微信小程序不仅提供数据查看功能，还支持用户远程设置增氧泵的开启间隔时间、调整水温阀值，以及切换鱼缸系统的控制模式，实现全面智能化管理。
硬件组件选定：
- 主控核心：采用STM32F103RCT6高性能微控制器，确保系统运行的稳定与高效。
- 温度传感器：选用DS18B20防水型温度传感器，确保精准测量鱼缸水温的同时，具备良好的防水性能。
- 氨气检测：MQ137氨气传感器，灵敏度高，适用于鱼缸环境的氨气浓度监测。
- 无线通讯：ESP8266 WIFI模块，低功耗、高速率，实现设备端与云端的无缝连接。
- 水质监测：专业水质传感器，用于实时检测鱼缸水质的浑浊度。
- 执行器件：增氧泵与加热棒均采用继电器控制，确保控制的精确与可靠。
【3】项目硬件模块组成
这个基于STM32设计的智能鱼缸包含以下硬件模块：
（1）主控芯片：采用STM32F103RCT6作为主控芯片。STM32F103系列是STMicroelectronics推出的Cortex-M3内核的32位微控制器，具有高性能和丰富的外设。
（2）温度传感器：使用防水式温度传感器DS18B20。DS18B20是一种数字温度传感器，具有高精度、数字输出和防水特性，适合在水中测量温度。
（3）氨气传感器：选择MQ137氨气传感器来检测氨气含量。MQ137是一种高灵敏度的氨气传感器，能够检测到鱼缸中的氨气浓度，并将其转换为电信号。
（4）光敏电阻传感器：用于检测光强度。光敏电阻是一种光敏元件，其电阻值会随着光照强度的变化而变化，通过检测电阻值的变化可以获取光强信息。
（5）浑浊度传感器：采用水质传感器进行浑浊度检测。水质传感器可以测量水体的浑浊度，它使用光散射原理或电导率原理来测量水体中悬浮物的含量。
（6）WIFI模块：选择ESP8266作为WIFI模块，用于与腾讯云IOT物联网平台建立连接，并上传传感器数据。
（7）继电器：用于控制增氧泵和加热棒的开关。继电器是一种电磁开关装置，可以通过控制电流来控制高功率设备的开关状态。
以上硬件模块组成了智能鱼缸系统的核心部分，通过这些模块的协同工作，实现了对水质、温度、光强和氨气等参数的监测和控制。同时，通过WIFI模块将数据上传到腾讯云IOT物联网平台，实现了远程监测和控制的功能。
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1.2 设计思路
【1】整体设计思路
整体设计思路如下：
（1）确定需求：根据鱼缸的使用需求，确定需要监测和控制的参数，并制定相应的功能模块。
（2）选择硬件：根据功能模块的需求，选择合适的硬件进行搭建。主控芯片选用STM32F103RCT6，温度传感器选择DS18B20，氨气传感器选择MQ137，光敏电阻传感器选择光敏电阻，水质浑浊度传感器采用水质传感器。WIFI模块选择ESP8266，增氧泵、加热棒采用继电器控制。
（3）硬件连接：将硬件按照电路图进行连接，并进行调试。
（4）软件开发：根据功能模块的需求，编写相应的程序，并进行联调测试。主要包括数据采集、数据处理、数据上传、控制指令接收等功能。
（5）远程监测和控制：通过WIFI模块将数据上传到腾讯云IOT物联网平台，实现远程监测和控制的功能。用户可以通过微信小程序进行远程监测和控制。
整个设计思路以功能需求为导向，通过硬件选择、连接和软件开发来实现对鱼缸环境的监测和控制。同时，通过WIFI模块将数据上传到腾讯云IOT物联网平台，实现远程监测和控制的功能，为用户提供更加便利和高效的使用体验。
【2】ESP8266工作模式配置
在整个设计里，STM32端的ESP8266配置成STA模式+TCP客户端模式，上电时连接家里的路由器WIF热点，连接互联网，以TCP客户端模式（通过MQTT协议）去连接腾讯云物联网服务器，实时上传当前的设备状态等各种参数信息。用户在微信小程序可以远程查看设备的状态信息。
ESP8266模块具有两种常用的工作模式，分别是STA模式和AP模式：
（1）STA模式（Station Mode）：在STA模式下，ESP8266可以连接到已存在的Wi-Fi网络作为一个客户端设备。它可以扫描周围的Wi-Fi网络，并且根据提供的SSID和密码进行连接，获取IP地址后可以通过该网络与其他设备进行通信。在STA模式下，ESP8266可以实现与互联网的连接，执行各种网络相关的操作。
（2）AP模式（Access Point Mode）：在AP模式下，ESP8266可以作为一个独立的Wi-Fi接入点（热点）运行。它会创建一个自己的Wi-Fi网络，允许其他设备（如手机、电脑等）连接到这个热点上。在AP模式下，ESP8266可以充当局域网内部的服务器，通过建立TCP/IP连接与其他设备进行通信，提供Web页面访问、数据传输等服务。
通过STA模式，ESP8266可以连接到互联网上的其他设备或服务器，实现远程控制和数据交换；而通过AP模式，ESP8266可以作为一个独立的接入点，让其他设备通过它进行连接和通信。
1.3 项目开发背景
【1】选题的意义
（1）提升鱼缸管理的智能化水平
智能鱼缸的设计选题将传统的鱼缸管理提升到了智能化的层面。通过集成各种传感器和自动控制技术，该系统能够实现鱼缸环境的实时监测和自动调节，确保鱼儿在最佳状态下生存。这种智能化管理方式不仅提高了鱼缸管理的效率，还为鱼儿的健康和生存环境提供了更好的保障。
（2）满足用户对家居环境的更高需求
随着生活水平的提高，人们对家居环境的要求也越来越高。智能鱼缸的设计选题符合了这一需求趋势。通过微信小程序远程监测和控制，用户可以随时随地了解鱼缸状况，并根据需要调整环境参数，为鱼儿提供更好的生存环境。这种便捷性和个性化的服务，满足了用户对家居环境的更高需求。
（3）促进物联网技术在家庭生活中的应用
物联网技术是当今科技发展的热点之一，其在家庭生活中的应用也越来越广泛。智能鱼缸的设计选题将物联网技术引入家庭生活，通过ESP8266-WIFI模块将数据上传到腾讯云IOT物联网平台，实现了远程监测和控制。这种应用方式不仅展示了物联网技术在家庭生活中的潜力，也为物联网技术的进一步发展提供了实践经验。
（4）推动嵌入式系统与传感器技术的发展
智能鱼缸的设计选题涉及到嵌入式系统和传感器技术的应用。STM32主控芯片、防水式温度传感器、氨气传感器等都是嵌入式系统和传感器技术的典型应用。通过该选题的设计和实现，可以进一步推动嵌入式系统和传感器技术的发展，提高其在各种智能化系统中的应用水平。
【2】可行性分析
基于STM32设计的智能鱼缸方案在技术上完全可行。 STM32F103RCT6微控制器的高性能和丰富的外设接口能够轻松处理传感器数据和执行控制任务。选择的传感器如DS18B20温度传感器、MQ137氨气传感器以及水质浑浊度传感器等都是经过验证的可靠产品，能够提供准确的环境参数。通过ESP8266 WIFI模块，所有的监测数据可以稳定地上传到腾讯云IOT物联网平台，为用户提供远程监测和控制的可能性。微信小程序的开发框架成熟，可以实现远程设置和控制功能，增加了用户使用的便捷性。在经济上，由于硬件成本的降低和模块化设计，该方案具有较高的经济可行性，尤其在智能家居市场需求持续增长的情况下。社会可行性方面，智能鱼缸通过智能化的管理方式提升了家居环境质量，同时其环保特性和对用户生活质量的提升也符合现代社会的需求。综合考虑技术、经济和社会三个方面，基于STM32的智能鱼缸设计方案具有很高的可行性。
（1）技术可行性
1. 硬件方面，所需硬件模块均可以在市场上获得，并且价格相对较为合理，比较容易购买。
2. 软件方面，所需的程序开发技术和云平台使用技术都已成熟，开发难度不高。
3. 经过实际测试，系统的数据采集精度和控制效果都较为稳定和准确。
（2）市场需求分析
1. 随着人们对宠物饲养的需求不断增加，特别是鱼类饲养日益普及，智能鱼缸系统具有市场前景。
2. 智能鱼缸系统可以为用户提供更便捷、高效、可靠的鱼缸监测和控制服务，符合广大用户的需求。
（3）经济可行性
1. 从硬件方面看，所需的硬件模块价格相对较为合理，成本可控。
2. 从软件方面看，开发成本相对较低，可以通过云平台提供的按量计费方式来降低运营成本。
3. 目标用户群体广泛，市场潜力大，可以通过适当的市场营销手段提高销售额和利润。
【3】参考文献
参考文献可以在知网、百度学术、或者在其他学术搜索引擎中搜索相关的关键词,可以获取最多的相关文献。
1. 基于STM32智能鱼缸监控系统的设计 [J] . 向镍锌 ,郭平 ,曹旬 . 科技视界 . 2020,第031期
2. 一种基于STM32单片机的智能鱼缸控制系统设计 [J] . 吕杰 ,梁鉴明 . 现代信息科技 . 2020,第020期
3. 基于STM32的智能鱼缸远程控制系统设计 [J] . 邱义 . 信息技术与信息化 . 2020,第010期
4. 一种基于STM32单片机的智能鱼缸控制系统设计 [J] . 吕杰 ,梁鉴明 . 现代信息科技 . 2020,第020期
5. 基于STM32的远程无线智能鱼缸控制系统设计 [J] . 朱炯健 ,张喜洋 ,杨树辉 . 科技风 . 2019,第006期
6. 基于STM32的机务智能工具箱系统设计与实现 [C] . 马雪燕 ,王思雨 ,曹越为 . 2018年全国物联网技术与应用大会 . 2018
7. 基于STM32的水产养殖水质监测与预测预警系统的设计与实现 [A] . 张国杰 . 2016
8. Intelligent Fishpond Monitoring System Based on STM32 and Zigbsee [J] . Xi Xie, Weizhong Jiang Research journal of applied science, engineering and technology . 2016,第6期
9. 一种新型智能化鱼缸的设计与实现 [J] . 黄多辉 ,王汉森 . 卷宗 . 2015,第011期
10. 基于物联网平台的智能鱼缸监控系统设计与实现 [J] . 廖明华 ,黄育雄 . 电脑知识与技术:学术版 . 2022,第2期
11. 基于物联网的智能鱼缸系统设计与实现 [J] . 李晔 ,曾昂 . 中国新通信 . 2022,第16期
12. 智能鱼缸自动控制系统设计与实现 [J] . 李金武 ,宋新爱 . 智能计算机与应用 . 2020,第003期
14. 一种用于输电线路状态检修的智能对讲机设备的设计与实现 [C] . LIU Sheng ,刘生 ,SHANG Fang . 中国电机工程学会电力通信专业委员会第十一届学术会议 . 2017
15. 基于单片机的智能wifi鱼缸的设计与实现 [A] . 叶彩云 . 2018
1.4 开发工具的选择
STM32的编程语言选择C语言，C语言执行效率高，大学里主学的C语言，C语言编译出来的可执行文件最接近于机器码，汇编语言执行效率最高，但是汇编的移植性比较差，目前在一些操作系统内核里还有一些低配的单片机使用的较多，平常的单片机编程还是以C语言为主。C语言的执行效率仅次于汇编，语法理解简单、代码通用性强，也支持跨平台，在嵌入式底层、单片机编程里用的非常多，当前的设计就是采用C语言开发。
开发工具选择Keil，keil是一家世界领先的嵌入式微控制器软件开发商，在2015年，keil被ARM公司收购。因为当前芯片选择的是STM32F103系列，STMF103是属于ARM公司的芯片构架、Cortex-M3内核系列的芯片，所以使用Kile来开发STM32是有先天优势的，而keil在各大高校使用的也非常多，很多教科书里都是以keil来教学，开发51单片机、STM32单片机等等。目前作为MCU芯片开发的软件也不只是keil一家独大，IAR在MCU微处理器开发领域里也使用的非常多，IAR扩展性更强，也支持STM32开发，也支持其他芯片，比如：CC2530,51单片机的开发。从软件的使用上来讲，IAR比keil更加简洁，功能相对少一些。如果之前使用过keil，而且使用频率较多，已经习惯再使用IAR是有点不适应界面的。
1.5 系统框架图
1.6 系统功能总结
（1）系统功能组成：
| 功能模块 | 描述 |
|---|---|
| 温度监测 | 通过温度传感器实时监测鱼缸内的水温，并将数据上传至云平台。 |
| 氨气检测 | 利用氨气传感器检测鱼缸中的氨气含量，及时发现水质变化并报警。 |
| 光照监测 | 通过光敏电阻传感器检测鱼缸的光照强度，提供光照信息供用户参考。 |
| 水质浑浊度检测 | 使用水质传感器实时监测鱼缸水质的浑浊度，帮助用户判断水质清洁程度。 |
| 增氧控制 | 通过继电器控制增氧泵的开关状态，根据需要调节鱼缸内的氧气供应。 |
| 加热控制 | 利用继电器控制加热棒的开关状态，根据需要调节鱼缸内的水温。 |
| 远程监测与控制 | 通过WIFI模块将传感器数据上传至腾讯云IOT物联网平台，用户可通过微信小程序远程监测和控制鱼缸。 |
（2）硬件模块组成：
| 硬件模块 | 描述 |
|---|---|
| 主控芯片 | STM32F103RCT6 |
| 温度传感器 | DS18B20 |
| 氨气传感器 | MQ137 |
| 光敏电阻传感器 | 光敏电阻 |
| 水质浑浊度传感器 | 水质传感器 |
| WIFI模块 | ESP8266 |
| 继电器 | 用于控制增氧泵和加热棒的开关状态 |
以上硬件模块组成了智能鱼缸系统的核心部分，通过这些模块的协同工作，实现了对水质、温度、光照强度和氨气含量等参数的监测和控制。同时，通过WIFI模块将数据上传到腾讯云IOT物联网平台，实现了远程监测和控制的功能。
1.7 系统原理图
1.8 硬件实物图
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