STM32设计的物联网智能鱼缸

一、项目功能介绍

随着人们生活水平的提高，家居环境中的绿色生态和健康生活越来越受到重视。鱼缸作为家居装饰的一部分，不仅需要美观，还需要关注鱼儿的健康和生存环境。为了满足这一需求，当前设计了基于STM32的智能鱼缸系统。

该系统通过集成多种传感器，实现了对鱼缸环境参数的实时监测和调节。水质浑浊度传感器能够检测鱼缸水质状况，确保水质清澈；防水式温度传感器能够监测水温，确保鱼儿在适宜的温度下生存；光敏电阻传感器能够根据光线强度自动调节灯光照明；氨气传感器能够检测鱼缸中的氨气含量，确保硝化环境的生成。

此外，该系统还具有远程控制功能，可以通过微信小程序随时查看鱼缸环境参数，并设置增氧泵的开启间隔时间、水温阀值以及控制模式的切换。这使得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。

在硬件选型方面，选择了STM32F103RCT6作为主控芯片，该芯片具有高性能、低功耗等特点，能够满足系统需求。防水式温度传感器选择DS18B20，该传感器具有防水、耐高温、精度高等特点，适用于鱼缸环境。氨气传感器选择MQ137氨气传感器，该传感器能够检测空气中的氨气含量，适用于鱼缸环境。WIFI选择ESP8266，该模块具有低功耗、高速率等特点，能够满足系统数据传输需求。水质浑浊度传感器采用水质传感器进行检测； 增氧泵、加热棒采用继电器控制。

该智能鱼缸系统结合了多种传感器和远程控制功能，为鱼儿的健康和生存环境提供了有力保障。同时，该系统还具有美观、实用、易于操作等特点，适用于家庭、办公室等场所。

二、设计需求总结

基于STM32设计的智能鱼缸。

设计具体要求有: 1、通过浑浊度传感器检测水质，当水质数值大于设置最大值，通过LED灯亮红色灯进行提醒换水，正常就绿色灯; 2、通过防水式温度传感器检测水温，水温超过设置下限值，进行自动加热; 3、通过光敏电阻传感器检测光强，自动模式下，低于设置的阈值打开灯光照明; 4、通过氨气传感器检测，确保鱼缸中硝化环境的生成; 如果有氨气存在就亮红色灯，正常就绿色灯。 5、可以定时打开增氧泵进行增氧; 6、设备端所有的数据都会通过ESP8266-WIFI上传到腾讯云IOT物联网平台，能够使用微信小程序进行远程监测，查看水质、水温、光强等数值; 7、微信小程序上能远程设置增氧泵的开启间隔时间，水温阀值，以及控制模式的切换。

硬件选型： 主控芯片选择STM32F103RCT6、防水式温度传感器选择DS18B20、氨气传感器选择MQ137氨气传感器，WIFI选择ESP8266，水质浑浊度传感器采用水质传感器进行检测； 增氧泵、加热棒采用继电器控制。

三、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。

四、设计思路

4.1 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。

4.2 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。

五、项目开发背景

5.1 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。

5.2 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。

5.3 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

六、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。

6.1 系统框架图

6.2 系统功能总结

（1）系统功能组成：

（2）硬件模块组成：

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。

6.3 系统原理图

6.4 硬件实物图