CN210466067U - 基于stm32的鱼塘监测与控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于STM32的鱼塘监测与控制系统，包括：STM32主控模块、用于测量鱼塘水位的超声波传感器、用于测量鱼塘浊度的浊度传感器、用于测量鱼塘水温的水温传感器、投饲机、发热线、排水泵、注水泵及四个继电器，其中，超声波传感器、浊度传感器及水温传感器分别与STM32主控模块电连接，投饲机、发热线、排水泵及注水泵分别通过一继电器与STM32主控模块电连接，且浊度传感器、水温传感器、投饲机、发热线、排水泵及注水泵均设置于鱼塘中，超声波传感器设置于鱼塘水面上方。结合物联网技术实现鱼塘的实时监测，大大提升了鱼塘监控的自动化程度。
Description
技术领域
本实用新型涉及监测技术领域，尤其涉及一种鱼塘监测与控制系统。
背景技术
世界水产养殖总产量逾六成来自于中国，中国是名副其实的世界渔业大国，水产养殖业与国民的粮食安全密切相关，在国家的农业经济发展中占有举足轻重的地位。然而，纵观全国，很多地方的养殖户依然在采用简陋的基础设施、粗放的生产方式进行低效率高成本的养殖作业。机械化程度的不足、现代化技术的缺失在许多地方已成为制约水产养殖行业发展的瓶颈，要突破桎梏，实现由“量”到“质”的转变，就必须在水产养殖行业推进科技创新和技术转型，以精确、高效、智能为特征的物联网技术在水产养殖行业中的应用成为了突破问题的关键。
目前，结合物联网技术的水产养殖新模式已逐步在多地开展运用，但受限于现阶段经验的缺失和技术上的不成熟，我国的水产养殖业与物联网技术的结合运用依然处在一个摸索、尝试的阶段。现阶段在应用上面临的问题主要有两个：其一，许多中小养殖户文化技术水平较低，专业的物联网系统设备的使用操作对于他们来说有较高的门槛。其二，各地水产养殖组织规模各异，大到规模化的养殖基地，小到基础条件简陋的散户，而市场上针对不同基础条件的养殖户的渔业物联网系统解决方案还不够多样化。可见，一个成本低廉、操作简便的针对小型鱼塘环境的物联网解决方案将具有极大的实用价值。
实用新型内容
针对上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于STM32的鱼塘监测与控制系统，结合物联网技术实现鱼塘的实时监测。
为了实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：
一种基于STM32的鱼塘监测与控制系统，包括：STM32主控模块、用于测量鱼塘水位的超声波传感器、用于测量鱼塘浊度的浊度传感器、用于测量鱼塘水温的水温传感器、投饲机、发热线、排水泵及注水泵及四个继电器，其中，超声波传感器、浊度传感器及水温传感器分别与STM32主控模块电连接，投饲机、发热线、排水泵及注水泵分别通过一继电器与STM32主控模块电连接，且浊度传感器、水温传感器、投饲机、发热线、排水泵、注水泵均设置于鱼塘中，超声波传感器设置于鱼塘水面上方。
在鱼类的生长环境中，水温、浊度和水位是重要的影响因素，也是在养殖过程中管理员最需要关心的三个参数。水温可直接影响鱼类的代谢强度，进而可影响鱼类的摄食和生长，我国渔业生产中常见的草鱼、青鱼等鱼类的适宜生长温度在20至32摄氏度之间。水体浊度与鱼类的呼吸和健康密切相关，在水体过于浑浊时需要及时通过换水来改善鱼类的生长环境。水位是换水时的重要参考依据，同时也是影响水温和溶氧量的不可忽视的因素，通常鱼塘的最佳水位是2到3m(米)，是以，本技术方案中使用超声波传感器、浊度传感器及水温传感器对鱼塘的相关参数进行实时监测，配合发热线、排水泵及注水泵提升鱼塘的自动化程度。
进一步优选地，所述鱼塘监测与控制系统中还包括用于将测量数据发送出去的通信模块及用于接收测量数据并显示的应用终端，所述通信模块与STM32主控模块电连接。
进一步优选地，所述STM32主控模块中包括型号为STM32F103RCT6的主控芯片，还包括复位电路和晶振电路，其中，复位电路包括电阻R3、电容C1及复位开关，复位开关与电容C1并联，且并联的一端与STM32F103RCT6主控芯片的RESET引脚连接、另一端接地，电阻R3的一端接3.3V外接电源、另一端与STM32F103RCT6主控芯片的RESET引脚连接；晶振电路中包括电容C5、电容C6、晶振Y2及电阻R4，其中，电容C5的一端与晶振Y2的第一端连接、另一端接地，电容C6的一端与晶振Y2的第二端连接、另一端接地，电阻R4与晶振Y2并联连接，且并联的一端与STM32F103RCT6主控芯片的OSC_IN2引脚连接、另一端与STM32F103RCT6主控芯片的OSC_OUT2引脚连接。
进一步优选地，水温传感器中包括型号为DS18B20的数字温度计及一上拉电阻R3，其中，所述上拉电阻R1的第一端与DS18B20数字温度计的VCC端连接、第二端分别与DS18B20数字温度计的DQ引脚及STM32F103RCT6主控芯片的PA1/ADC1引脚连接。
进一步优选地，超声波传感器的型号为HC-SR04，其中，Trig引脚和Echo引脚分别与STM32F103RCT6主控芯片的PC2/ADC12引脚和PC2/ADC13引脚连接。
进一步优选地，浊度传感器的型号为Turbidity，其中，AO引脚与STM32F103RCT6主控芯片的PC4/ADC14引脚连接。
进一步优选地，所述浊度传感器的表面密封有热熔胶。
进一步优选地，所述通信模块为型号ESP8266的Wi-Fi模块，其中，ESP8266Wi-Fi模块中的UTXD引脚与STM32F103RCT6主控芯片的PA10/USART1_RX引脚连接，URXD引脚与STM32F103RCT6主控芯片的PA9/USART1_TX引脚连接。
进一步优选地，所述鱼塘监测与控制系统中包括一4输入/4输出Relay继电器，所述Relay继电器的4个输入端分别与STM32F103RCT6主控芯片的PA4/SPI1_NSS引脚、PA5/SPI1_SCK引脚、PA6/SPI1_MISO引脚及PA7/SPI1_MOSI引脚连接，4个输出端分别与投饲机、发热线、排水泵及注水泵连接。
本实用新型提供的基于STM32的鱼塘监测与控制系统从水温、水位、浊度三个方面出发对鱼塘进行监测管理，并将采集到的三项数据和设备工作状态通过通信模块发送至远程的应用终端(如手机)，实现了鱼塘的远程监控。系统可以根据参数实现鱼塘的自动控制换水和自动控温的操作，也可由管理员远程手动控制，大大提升了鱼塘监控的自动化程度。此外，管理员还可在远程控制饲料投喂，足不出户即可实现对鱼塘的监管，大大节约了人力物力。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本实用新型有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1为本实用新型基于STM32的鱼塘监测与控制系统一种实施方式示意图；
图2为本实用新型中自动控制流程图；
图3为本实用新型中基于STM32的鱼塘监测与控制系统另一种实施方式示意图；
图4为本实用新型一实例中手机端显示示意图；
图5为本实用新型一实例中鱼塘监测与控制系统电路图。
附图标记说明：
10-STM32主控模块，20-超声波传感器，30-浊度传感器，40-水温传感器，50-投饲机、60-发热线、70-排水泵、80-注水泵，90-继电器，100-通信模块，110-应用终端。
具体实施方式
为使本实用新型的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本实用新型的内容作进一步说明。当然本实用新型并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本实用新型的保护范围内。
如图1所示为本实用新型提供的基于STM32的鱼塘监测与控制系统示意图，从图中可以看出，在该鱼塘监测与控制系统中包括：STM32主控模块10、用于测量鱼塘水位的超声波传感器20、用于测量鱼塘浊度的浊度传感器30、用于测量鱼塘水温的水温传感器40、投饲机50、发热线60、排水泵70、注水泵80及四个继电器90(如图示包括继电器1、继电器2、继电器3及继电器4)，其中，超声波传感器20、浊度传感器30及水温传感器40分别与STM32主控模块10电连接，投饲机50、发热线60、排水泵70及注水泵80分别通过一继电器90与STM32主控模块10电连接，如图4中，投饲机50通过继电器1与STM32主控模块10电连接，发热线60通过继电器2与STM32主控模块10电连接，排水泵70通过继电器3与STM32主控模块10电连接，注水泵80通过继电器4与STM32主控模块10电连接。此外，浊度传感器30、水温传感器40、投饲机50、发热线60、排水泵70及注水泵80均设置于鱼塘中，超声波传感器20设置于鱼塘水面上方。该鱼塘监测与控制系统中还包括一个强电控制系统，继电器通过该强电控制系统对投饲机50、发热线60、排水泵70及注水泵80强电设备的控制，实现弱电对强电的控制，以下简述为通过继电器对投饲机50、发热线60、排水泵70及注水泵80进行控制。
在工作过程中，通过STM32主控模块10控制超声波传感器20、浊度传感器30及水温传感器40工作，检测鱼塘中水位、浊度及温度参数。具体在工作过程中，如图2所示，当浊度传感器30检测到的浊度大于预设浊度上限，则通过继电器3控制排水泵70启动排水；之后，超声波传感器20检测水位到达预设水位下限时，控制排水泵70停止排水，同时通过继电器4控制注水泵80开启注水；当水位到达预设水位上限时，控制排水泵70停止注水。要注意的是，注水刚开始时，浊度可能依然高于下限，以此为避免再次引起排水，将排水操作的启动条件设置为浊度高于上限且不在注水状态。此外，当水温传感器40检测水温低于预设水温下限时，通过继电器2控制发热线60启动加热；之后，检测水温到达水温上限时，控制发热线60停止加热。当达到预先设定的投饲时间时，通过继电器1控制投饲机50进行投料。这里，浊度上限、水位上限/下限及水温上限/下限值、投饲时间均根据实际情况进行设定，这里不做具体限定。如，在一养殖草鱼的池塘实例中，将浊度下限设定为2.5V。水位上限/下限分别设定为1.5-2.2米。水温上限/下限分别设定为18-24℃。投饲时间设定为2次/天。
对上述实施方式进行改进，如图3所示，鱼塘监测与控制系统中包括STM32主控模块10、用于测量鱼塘水位的超声波传感器20、用于测量鱼塘浊度的浊度传感器30、用于测量鱼塘水温的水温传感器40、投饲机50、发热线60、排水泵70、注水泵80及四个继电器90之外，还包括用于将测量数据发送出去的通信模块100及用于接收测量数据并显示的应用终端110(图示中，通信模块100具体为Wi-Fi模块，应用终端110具体为手机)，通信模块100与STM32主控模块10电连接。系统可在手动和自动模式下工作，自动模式下与前一实施方式类似，通过鱼塘浊度判断是否需要启动排水泵70和注水泵80进行换水操作，在这一过程中，通过超声波传感器20检测水位；此外，通过水温传感器40检测检测水温判断是否需要启动发热线60进行加热。当达到预先设定的投饲时间时，通过继电器901控制投饲机50进行投料。在手动模式下，可人为通过手机控制排水泵70、注水泵80、加热线、投料机的启停。另外，STM32主控模块10定时将检测数据发送至应用终端110，应用终端110接收到数据之后进行解析并显示。在其他实施方式中，应用终端还可以体现为其他形式，如PC机等，这里不做限定。在一实例中，手机中显示界面如图4所示，管理员可以从中查看鱼塘的水位、温度计浊度数据，图示中，水温为27.5℃，浊度为1.94；还可以查看当前鱼塘监测与控制系统的工作状态，是否处于加热状态、是否处于投料状态、是否正在排水及是否正在注水。此外，管理员可以通过该界面切换工作模式(自动或手动模式)，设定水位上限/下限值、水温上限/下限值及浊度下限值。
在一实例中，如图5所示，STM32主控模块10中包括型号为STM32F103RCT6的主控芯片，还包括复位电路和晶振电路，其中，复位电路包括电阻R3、电容C1及复位开关，复位开关与电容C1并联，且并联的一端与STM32F103RCT6主控芯片的RESET引脚连接、另一端接地，电阻R3的一端接3.3V外接电源、另一端与STM32F103RCT6主控芯片的RESET引脚连接；晶振电路中包括电容C5、电容C6、晶振Y2及电阻R4，其中，电容C5的一端与晶振Y2的第一端连接、另一端接地，电容C6的一端与晶振Y2的第二端连接、另一端接地，电阻R4与晶振Y2并联连接，且并联的一端与STM32F103RCT6主控芯片的OSC_IN2引脚连接、另一端与STM32F103RCT6主控芯片的OSC_OUT2引脚连接。
STM32F103RCT6是意法半导体公司生产的一款基于ARM Cortex-M3核心的32位嵌入式微控制器，最高频率为72MHz(兆赫兹)，ROM容量为256KB(千字节)，RAM容量为48KB，属于大容量增强型系列产品，包括64个引脚，采用LQFP封装。TM32F103RCT6具有增强的输入输出端口和连接到两条高级外围总线(APB)的丰富外设，包括2个PWM(脉冲宽度调制)定时器，4个16位通用定时器以及3个12位的ADC(模数转换器)。标准的通信接口有：5个通用同步/异步串行接收/发送器、一个通用串行总线接口、一个安全数字输入输出卡接口、2个集成电路总线接口、3个串行外设接口，2个集成音频接口和一个控制器局域网络接口。芯片工作温度要求为-40℃至+105℃(℃)，供电电压范围为2.0V至3.6V(伏)。
水温传感器40中包括型号为DS18B20的数字温度计及一上拉电阻R3，其中，上拉电阻R1的第一端与DS18B20数字温度计的VCC端连接、第二端分别与DS18B20数字温度计的DQ引脚(数据输入输出)及STM32F103RCT6主控芯片的PA1/ADC1引脚连接。在使用独立电源供电时，VDD引脚接电源，GND引脚接地。上拉电阻的作用是保证STM32F103RCT6主控芯片和水温传感器40对数据线无操作时电平始终保持为高，上拉电阻阻值可选为4.7kΩ(千欧)。
DS18B20为美国达拉斯公司推出的可编程分辨率的数字温度计，采用单总线的方式与微处理器双向通信。每个器件有唯一的64位序列号存储在内部存储器中，因此多只DS18B20可以同时连在一根单总线上工作而不互相干扰，供电范围为3.0V至5.5V，既可独立供电也可通过数据线采用寄生方式供电，测温范围为-55℃至+125℃，在-10℃至+85℃范围内时误差不超过0.5℃，分辨率可通过编程选择为9至12位，读数最高可精确至0.0625V，转换时间最多只需750ms(毫秒)。
超声波传感器20的型号为HC-SR04，其中，Trig引脚(触发端)和Echo引脚(接收端)分别与STM32F103RCT6主控芯片的PC2/ADC12引脚和PC2/ADC13引脚连接。VCC引脚接5V电源，GND接地。
超声波是一种机械波，其振动频率高于20kHz，除频率高外，还具有波长短、方向性好的特点。HC-SR04是一款利用超声波原理制成的用于距离测量的传感器，其工作电压为DC5V，发射频率为40Hz，测量角度要求为15°以内，测量范围为2cm至4m，精度最高可达0.2cm。
工作中，当STM32F103RCT6主控芯片向超声波传感器20的Trig端输入高电平信号并保持10μs(根据实际应用设定)以上，超声波传感器20自动发送8个40kHz的方波并监测是否有信号返回，若有信号返回(由待测目标反射)，Echo端输出高电平，高电平持续的时间t与超声波从发射到返回所用的时间相等，由式(1)即可得到与待测目标之间的距离L：
L＝(t*c)/2 (1)
其中，c为声速。
以此，由式(2)即可得到鱼塘水位H：
H＝H1-H2 (2)
其中，H1为超声波传感器20与池底之间的距离，H2为超声波传感器20与水面之间的距离。由超声波传感器20的工作原理，测距需要对传感器的Echo端口返回的高电平信号计时，这里使用STM32F103RCT6主控芯片中的基本定时器对其进行计时。
浊度传感器30的型号为Turbidity(GE公司生产)，其中，VCC引脚接5V电源，GND引脚接地。采用模拟的方式输出时，DO引脚悬空，AO引脚与STM32F103RCT6主控芯片的PC4/ADC14引脚连接。由于水中悬浮固体总量(TSS)的变化都会影响水的光透过率和散射率，基于此，浊度传感器30根据通过光电二极管和晶体管测量水的不透光度，输出反映水体浊度的电压，具体，电压越低，代表水体越浑浊。该浊度传感器30工作电压为DC5V，响应时间小于500ms(毫秒)，模拟输出电压范围为0至4.5V，工作温度为-30℃至80℃。考虑到该型号的浊度传感器30中只有透明探头部分防水，蓝色壳体部分并不防水，因此在使用之前，使用热熔胶对其进行密封处理，便于其浸没在水中使用。
在使用中，将浊度传感器30的探头浸入水中，尽量保持周围无光，STM32F103RCT6主控芯片将AO端口输出的模拟电压值转为数字量即可读出。对于同一个浊度传感器30来说，水中浊度越高输出的电压越低，因此，可以依据实际环境中的先期实验确定浊度到达临界点时的输出电压值，以此作为。
通信模块100具体为型号ESP8266的Wi-Fi模块，其中，VCC接3.3V外接电源，GND接地，在工作模式下，GPIO0和GPIO2可悬空，CHPD和RESET接高电平。UTXD为串口发送引脚，与STM32F103RCT6主控芯片的PA10/USART1_RX引脚连接；URXD为串口接收引脚，与STM32F103RCT6主控芯片的PA9/USART1_TX引脚连接。
Wi-Fi是一种基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术，作为一种无线传输技术，它不受布线条件的限制，信号半径最远可达100米，覆盖范围广，发射功率不超过100mW，对人体安全，且具有较快的传输速度和较高的可靠性，所以能很好的满足远程监控系统的要求。ESP8266是一款可通过串口实现透传功能的Wi-Fi模块，工作电压为3.3V，有异步串口/通用输入输出口用于通信，支持802.11b/g/n标准，内置TCP/IP协议栈，支持多路TCP客户端连接，可工作在STA、AP、STA+AP三种模式，可通过AT指令操作。同时，它具有体积小，功耗低的优点，非常适用于物联网应用设计，实现设备的联网功能。
鱼塘监测与控制系统中包括一4输入/4输出Relay继电器，Relay继电器的4个输入端(信号触发端)分别与STM32F103RCT6主控芯片的PA4/SPI1_NSS引脚、PA5/SPI1_SCK引脚、PA6/SPI1_MISO引脚及PA7/SPI1_MOSI引脚连接，4个输出端分别与投饲机50、发热线60、排水泵70及注水泵80连接，DC+接5V电源，DC-接地，触发方式选择端选为高电平触发。接线时，将投饲机50、发热线60、排水泵70及注水泵80的电源线断开，断开处的两端分别接入继电器的公用接口COM和常开接口NC。
继电器90是一种常用于自动化的控制电路中的电控制器件，相当于一个开关器件，可实现用小电流控制大电流运作。在本实用新型中，排水泵70、注水泵80、加热线及投料机都是使用220V交流电的强电设备，以此采用继电器90进行控制。该Relay继电器90工作电压为5V，最高可控制交流电压250V，电流10A，可满足对水泵等大功率设备的控制。经实际验证，STM32F103RCT6主控芯片的I/O口在互补推挽输出模式下可直接驱动四路光耦继电器90工作，因此选择该继电器90来实现对排水泵70、注水泵80、加热线及投料机的控制。
Claims (7)
1.一种基于STM32的鱼塘监测与控制系统，其特征在于，包括：
STM32主控模块、用于测量鱼塘水位的超声波传感器、用于测量鱼塘浊度的浊度传感器、用于测量鱼塘水温的水温传感器、投饲机、发热线、排水泵、注水泵及四个继电器，其中，超声波传感器、浊度传感器及水温传感器分别与STM32主控模块电连接，投饲机、发热线、排水泵及注水泵分别通过一继电器与STM32主控模块电连接，且浊度传感器、水温传感器、投饲机、发热线、排水泵及注水泵均设置于鱼塘中，超声波传感器设置于鱼塘水面上方。
2.如权利要求1所述的鱼塘监测与控制系统，其特征在于，所述STM32主控模块中包括型号为STM32F103RCT6的主控芯片，还包括复位电路和晶振电路，其中，复位电路包括电阻R3、电容C1及复位开关，复位开关与电容C1并联，且并联的一端与STM32F103RCT6主控芯片的RESET引脚连接、另一端接地，电阻R3的一端接3.3V外接电源、另一端与STM32F103RCT6主控芯片的RESET引脚连接；晶振电路中包括电容C5、电容C6、晶振Y2及电阻R4，其中，电容C5的一端与晶振Y2的第一端连接、另一端接地，电容C6的一端与晶振Y2的第二端连接、另一端接地，电阻R4与晶振Y2并联连接，且并联的一端与STM32F103RCT6主控芯片的OSC_IN2引脚连接、另一端与STM32F103RCT6主控芯片的OSC_OUT2引脚连接。
3.如权利要求1所述的鱼塘监测与控制系统，其特征在于，水温传感器中包括型号为DS18B20的数字温度计及一上拉电阻R3，其中，所述上拉电阻R1的第一端与DS18B20数字温度计的VCC端连接、第二端分别与DS18B20数字温度计的DQ引脚及STM32F103RCT6主控芯片的PA1/ADC1引脚连接。
4.如权利要求1所述的鱼塘监测与控制系统，其特征在于，超声波传感器的型号为HC-SR04，其中，Trig引脚和Echo引脚分别与STM32F103RCT6主控芯片的PC2/ADC12引脚和PC2/ADC13引脚连接。
5.如权利要求1所述的鱼塘监测与控制系统，其特征在于，浊度传感器的型号为Turbidity，其中，AO引脚与STM32F103RCT6主控芯片的PC4/ADC14引脚连接。
6.如权利要求5所述的鱼塘监测与控制系统，其特征在于，所述浊度传感器的表面密封有热熔胶。
7.如权利要求1所述的鱼塘监测与控制系统，其特征在于，所述鱼塘监测与控制系统中包括一4输入/4输出Relay继电器，所述Relay继电器的4个输入端分别与STM32F103RCT6主控芯片的PA4/SPI1_NSS引脚、PA5/SPI1_SCK引脚、PA6/SPI1_MISO引脚及PA7/SPI1_MOSI引脚连接，4个输出端分别与投饲机、发热线、排水泵及注水泵连接。
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