物聯(lián)網工程-基于LoRa的魚塘管理系統(tǒng)

摘要本文介紹的是一種基于LORA的魚塘遠程管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以采集魚塘中的光照、溫度和渾濁度等數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制。首先，文章介紹了魚塘遠程管理系統(tǒng)的背景和意義。隨著人們對水產品需求的不斷增加，魚塘養(yǎng)殖已成為一種重要的經濟活動。然而，傳統(tǒng)的魚塘管理方式存在諸多問題，包括操作不便、管理效率低下等。基于此，開發(fā)一種基于LORA的魚塘遠程管理系統(tǒng)，可以有效解決這些問題。其次，論文詳細介紹了介紹了該裝置的軟、硬件組成。在硬件方面，采用STM32F103作為控制核心，配合光照、溫度和水蒸氣等傳感器，可以實時監(jiān)控魚塘中的水體。最后，本論文特意對系統(tǒng)中的光照、溫度和渾濁度數(shù)據(jù)進行了詳細講解。通過光照傳感器，系統(tǒng)可以實時采集魚塘中的光照強度，判斷是否需要進行調整。溫度傳感器可幫助系統(tǒng)檢測魚塘內部的水溫，控制魚塘內的水溫穩(wěn)定。而渾濁度傳感器則能夠檢測魚塘水質的渾濁度，及時發(fā)現(xiàn)水質問題并進行調整。綜上所述，基于LORA的魚塘遠程管理系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢，包括便捷操作、高效管理和智能化決策等。同時，該系統(tǒng)還能夠采集光照、溫度和渾濁度等數(shù)據(jù)，并通過遠程通訊與服務器交互，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制。這些特點使得該系統(tǒng)在魚塘管理領域中具備重要應用前景。關鍵詞：單片機；魚塘；水質監(jiān)測；遠程；ABSTRACTThisarticleintroducesafishpondremotemanagementsystembasedonSTM32,whichcancollectdatasuchaslighting,temperature,andturbidityinthefishpond,andachieveremotemonitoringandcontrol.Firstly,thearticleintroducesthebackgroundandsignificanceoftheremotemanagementsystemforfishponds.Withtheincreasingdemandforaquaticproducts,fishpondaquaculturehasbecomeanimportanteconomicactivity.However,traditionalfishpondmanagementmethodshavemanyproblems,includinginconvenientoperationandlowmanagementefficiency.Basedonthis,developingafishpondremotemanagementsystembasedonSTM32caneffectivelysolvetheseproblems.Secondly,Thepaperprovidesadetailedintroductiontothesoftwareandhardwarecompositionofthedevice.Intermsofhardware,thesystemusestheSTM32F103chipasthemaincontroller,pairedwithvarioussensors,suchaslightsensors,temperaturesensors,andturbiditysensors,tocollectrelevantdatainthefishpond.Finally,thearticleprovidesadetailedexplanationofthelighting,temperature,andturbiditydatainthesystem.Throughthelightsensor,thesystemcancollectreal-timelightintensityinthefishpondtodeterminewhetheradjustmentsareneeded.Thetemperaturesensorcanhelpthesystemdetectthewatertemperatureinsidethefishpondandcontrolthestabilityofthewatertemperatureinsidethepond.Theturbiditysensorcandetecttheturbidityoffishpondwaterquality,timelydetectwaterqualityproblemsandmakeadjustments.Insummary,theSTM32basedremotemanagementsystemforfishpondshasvariousadvantages,includingconvenientoperation,efficientmanagement,andintelligentdecision-making.Atthesametime,thesystemcanalsocollectdatasuchaslighting,temperature,andturbidity,andinteractwithserversthroughremotecommunicationtoachieveremotemonitoringandcontrol.Thesecharacteristicsmakethesystemhaveimportantapplicationprospectsinthefieldoffishpondmanagement.Keywords:microcontroller;fishpond;WaterQuality;Temperature;目錄TOC\o"1-3"\h\u32429第1章緒論 第1章緒論1.1研究背景與意義隨著城市化進程的加速，人們工作壓力和生活壓力也越來越大。為了緩解這種壓力，越來越多的人開始將養(yǎng)魚作為一種娛樂和放松的方式，特別是在高壓力的城市生活中，養(yǎng)魚成為一種重要的調節(jié)心情的方式。但是，養(yǎng)魚也需要花費相當?shù)臅r間和精力，如果不能及時監(jiān)測和管理魚塘內的環(huán)境，可能會影響到魚群的健康成長。因此，建立一套魚塘遠程管理系統(tǒng)就顯得尤為重要。魚塘遠程管理系統(tǒng)可以幫助養(yǎng)魚者更方便地了解魚塘內的情況。通過遠程監(jiān)控，養(yǎng)魚者可以實時獲取水質、溫度等數(shù)據(jù)，并及時采取相應的措施，以保證魚塘內生態(tài)環(huán)境的健康和穩(wěn)定[1]。例如，當水質不佳時，系統(tǒng)會自動發(fā)出警報，提醒養(yǎng)魚者采取措施，避免魚群死亡或生長遲緩。該系統(tǒng)還可以提高養(yǎng)魚效率和降低經濟成本。通過對魚塘內環(huán)境的監(jiān)測和調節(jié)，可以使魚群更加健康成長，減少死亡率；同時，可以合理控制投餌量和養(yǎng)殖密度，從而提高養(yǎng)殖效益。例如，當水溫過低時，系統(tǒng)會自動啟動加熱裝置，以保持水溫在適宜范圍內，促進魚群的生長。該系統(tǒng)還有利于保護水資源和環(huán)境。魚塘養(yǎng)殖廢水和糞便對周圍環(huán)境和土壤造成了嚴重的污染，引起了一系列的環(huán)境問題，如水環(huán)境中的富營養(yǎng)化。通過對魚塘內環(huán)境的監(jiān)測和調節(jié)，可以減少這種污染的發(fā)生，保護水資源和環(huán)境。例如，系統(tǒng)可以自動檢測魚塘內廢水的pH值和含氧量，及時排放廢水，減少對周圍環(huán)境的影響。除了在家庭養(yǎng)殖中的應用，該系統(tǒng)還可以在大規(guī)模水產養(yǎng)殖中發(fā)揮作用，提高養(yǎng)殖效率和降低經濟成本。例如，在大型水產養(yǎng)殖場中，可以通過安裝多個傳感器來監(jiān)測魚塘內的環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過云平臺實現(xiàn)遠程管理，從而提高養(yǎng)殖效益[2]。基于LORA的魚塘遠程管理系統(tǒng)具有重要的研究意義和廣闊的應用前景。通過該系統(tǒng)的研發(fā)和推廣，可以促進水產養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展，優(yōu)化水資源利用效率，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。未來，隨著物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展，該系統(tǒng)還將有更廣泛的應用前景和更高的市場價值。1.2國內外研究現(xiàn)狀1.2.1國內研究現(xiàn)狀魚塘是我國重要的漁業(yè)資源之一，其管理與養(yǎng)護對于保障漁業(yè)發(fā)展和魚類資源的可持續(xù)利用具有重要意義。傳統(tǒng)的魚塘管理方式存在著信息不及時、效率低下等問題，而基于STM32的魚塘遠程管理系統(tǒng)則能夠有效地解決這些問題。從國內研究現(xiàn)狀方面進行分析，以探討該系統(tǒng)的研究進展情況[3]。當前，國內魚塘管理主要手段仍為人工巡查、記錄，信息采集和傳輸較為困難，導致管理效率低下、成本高昂[4]。同時，由于缺乏實時監(jiān)測和預警機制，一些重要指標無法及時得到反饋，從而影響了養(yǎng)殖效果。STM32是一種高性能、低功耗的微處理器，常用于嵌入式系統(tǒng)中。它的特點是擁有較強的計算能力和運算速度，同時可以支持多種通信協(xié)議和實時控制系統(tǒng)。因此，STM32技術可被應用于魚塘遠程管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對魚塘的遠程監(jiān)測和控制。利用STM32技術，能夠實時地監(jiān)控魚塘中的水質和魚類的生長狀況。系統(tǒng)可采用傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)通過無線通信方式發(fā)送到基站，再由基站上傳至云端服務器，以便管理人員實時查看魚塘的各項指標。[5]此外，通過STM32技術還可實現(xiàn)對魚塘氧氣、溫度等環(huán)境參數(shù)進行自動調節(jié)，從而保證魚類健康成長。目前，國內已有多個團隊在魚塘遠程管理系統(tǒng)方面進行了相關研究。例如，福建農林大學的研究團隊開發(fā)出了一套基于STM32的智能魚塘監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過無線通訊技術將魚塘信息傳輸至中心服務器，并實現(xiàn)了對魚塘的實時監(jiān)測和預警。此外，湖南省水產研究所的研究團隊也研制出了一款基于STM32的魚塘自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)不同的環(huán)境參數(shù)進行自動調節(jié)，并實現(xiàn)了對魚類的自動喂食。國內研究團隊在魚塘遠程管理系統(tǒng)方面的研究已經取得了一定進展，但仍存在一些問題。例如，系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性需要進一步提高，同時還需針對不同養(yǎng)殖環(huán)境進行定制化開發(fā)。隨著物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展和應用，基于LORA的魚塘遠程管理系統(tǒng)將會有更廣泛的應用前景。未來，還可以結合人工智能技術進行數(shù)據(jù)分析和預測，從而實現(xiàn)全面、精準的養(yǎng)殖管理。[6]綜上所述，基于LORA的魚塘遠程管理系統(tǒng)是提高養(yǎng)殖效率、保證魚類健康成長的有效手段。國內已有多個研究團隊在該領域進行了相關研究，但仍需要不斷改進和完善。未來，該技術將會進一步發(fā)展，為魚塘管理帶來更大的便利和益處。1.2.2國外研究現(xiàn)狀魚塘遠程管理系統(tǒng)是一種基于物聯(lián)網技術的智能化養(yǎng)殖管理工具，其核心技術之一便是STM32單片機。國外在魚塘遠程管理系統(tǒng)方面的研究也已經取得了一定進展，從國外研究現(xiàn)狀方面進行分析，以便更好地了解該技術在國際上的應用情況和發(fā)展趨勢。OnekaL.Vincent教授等人在2018年針對尼日利亞的淡水魚塘開發(fā)出了一套基于STM32的養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過多種傳感器實現(xiàn)了對魚塘水質、溫度、氧氣等參數(shù)的實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務器以便管理人員隨時查看和分析。此外，該系統(tǒng)還具有報警功能，能夠在發(fā)現(xiàn)水質異?；蚱渌麊栴}時及時發(fā)送提示信息[7]。張俊敏教授等人在2017年開發(fā)出了一套基于STM32的魚塘智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過多種傳感器實現(xiàn)了對魚塘環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測，并根據(jù)不同參數(shù)進行自動調節(jié)，如自動給魚喂食、調節(jié)水位等。此外，該系統(tǒng)還可以與安卓手機連接，方便用戶遠程監(jiān)測和控制。SuriyakumarKrishnan等人在2019年針對印度的水產養(yǎng)殖場開發(fā)出了一套基于STM32的智能化管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用各種傳感器對水質、溫度、氧等進行實時監(jiān)控并將數(shù)據(jù)上傳至云端服務器以便管理人員分析。此外，該系統(tǒng)還具有自動控制功能，可根據(jù)不同參數(shù)進行自動調節(jié)[8]。1.3本文研究內容基于LORA的魚塘遠程管理系統(tǒng)是一種智能化養(yǎng)殖管理工具，可以實現(xiàn)對魚塘環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和控制，并將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務器以便管理人員隨時查看和分析。其中，采集光照、溫度、渾濁度等參數(shù)是該系統(tǒng)的重要組成部分，下面將分別介紹其相關內容。(1)采集光照在魚塘管理中，光照是一個非常重要的環(huán)境因素，它直接影響到魚類的生長和繁殖。因此，基于LORA的魚塘遠程管理系統(tǒng)通常會安裝光照傳感器，實時監(jiān)測魚塘中的光照強度。通過采集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以自動調節(jié)燈光的開關，保證魚塘中的光照強度始終在適宜的范圍內。(2)采集溫度水溫是另一個重要的環(huán)境因素，它對魚類的生命活動也有著非常大的影響?；赟TM32的魚塘遠程管理系統(tǒng)中通常會安裝溫度傳感器，實時監(jiān)測魚塘中的水溫。通過采集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以自動控制加熱或降溫設備，保證魚塘中的水溫始終在適宜的范圍內。(3)采集渾濁度渾濁度是指水中懸浮顆粒物的濃度，它反映了水質的清潔程度和透明度。如果魚塘中渾濁度過高，就會影響魚類的視線和呼吸，導致其生長受阻甚至死亡。因此，基于STM32的魚塘遠程管理系統(tǒng)通常會安裝濁度傳感器，實時監(jiān)測魚塘中的渾濁度。通過采集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以自動控制水泵、過濾等設備，保證魚塘中的水質始終清潔透明。采集光照、溫度、渾濁度等參數(shù)是基于LORA的魚塘遠程管理系統(tǒng)中的重要內容，它們可以幫助管理人員及時了解魚塘環(huán)境的變化，從而采取相應的措施，保證魚類健康成長。第2章整體設計方案2.1系統(tǒng)功能需求設計以此為依據(jù)，設計并實現(xiàn)了一個基于Lora的魚塘遠距離管理系統(tǒng)，主要包括了系統(tǒng)的軟硬件設計、系統(tǒng)的實現(xiàn)、系統(tǒng)的測試等，并著重闡述了該系統(tǒng)各功能模塊的具體設計思想、具體的實現(xiàn)方式，并對該系統(tǒng)的關鍵技術、部分源代碼作了較為詳盡的闡述。這個系統(tǒng)應該實現(xiàn)的主要功能包括：（1）該系統(tǒng)在進行工作時，由于其工作為戶外，因此為了能夠便于系統(tǒng)進行工作，加入了太陽能發(fā)電模塊，利用太陽能板能夠對該系統(tǒng)進行充電管理。（2）魚類在增長的過程當中對于水溫的要求十分嚴格，因此為了能夠保證魚類的健康，該系統(tǒng)加入了防水溫度傳感器成果實施檢測溫度狀況。（3）設計增氧機系統(tǒng)，增氧機系統(tǒng)能夠工作于定時模式以及遠程控制模式，在定時模式下能夠每隔一定時間進行啟動，在遠程模式下則是能夠通過上位機系統(tǒng)進行遠程操控。（4）利用渾濁度檢測單元進行檢測水質，該渾濁度檢測單元能夠實時反饋水質狀況，當水質較差時能夠自動啟動。凈化裝置對水進行凈化處理。（5）可以設同時裝置利用定時以及遠程控制模式對魚塘進行播撒餌料。（6）利用上位機系統(tǒng)進行設置該套系統(tǒng)的控制參數(shù)，再進行工作的過程當中，上位機系統(tǒng)還能夠接收LORA所發(fā)送的采集信息，也能夠通過LORA進行下發(fā)控制指令。（7）增加本地顯示功能，例如該系統(tǒng)可以使用本地化液晶顯示裝置顯示相應的參數(shù)，也能夠利用按鍵設置的方式對相應的參數(shù)進行調節(jié)設定。（8）增加遠程控制系統(tǒng)，利用手機app控制數(shù)據(jù)閾值的增減，以及燈光的開關。2.2整體方案設計在該系統(tǒng)的設計中，以LORA為核心的魚塘水質監(jiān)測系統(tǒng)，其最主要的特點就是能夠對魚塘水質進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過LCD以液晶的形式顯示，一旦水質出現(xiàn)異常，就能夠通過LORA實現(xiàn)遠程信息的傳遞，并且在監(jiān)測的時候能夠設置報警閾值，同時，還能夠使用照明檢測模塊實現(xiàn)自動照明，能夠定時和遠程設置投喂增氧的功能。為了便于實驗驗證，在實際應用中，主要使用了相應的傳感器。在工作的時候，同樣是以模型的方式來展示。設計框圖如下所示：圖2.1系統(tǒng)結構設計2.3養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)選擇分析因為魚塘并不是一個完全封閉的空間，他也受到魚塘周圍設施環(huán)境以及空氣等各種因素的影響，所以必須綜合考慮影響魚類生長繁殖的環(huán)境因素，對于魚塘中的魚類，水環(huán)境因子中對魚類生長影響較大的主要有溫度，光照，渾濁度這幾方面。將不同環(huán)境因子控制在適合魚類生長的范圍內，才能提高養(yǎng)殖的產量。魚塘環(huán)境直接決定著魚類能否正常生長，除了影響魚類的生長周期以及自身健康外，還會影響到他們是否能夠正常繁殖。所以，控制魚塘環(huán)境處于最有利??魚類生長的范圍內，可以有效的提高魚類的成活率[10]。（1）水位魚塘中水位是魚類在生長過程中比較重要的因素。在魚塘這樣的半封閉空間中，水位的高低影響魚類能否正?；顒?，如果水位過低，水體中的溶解氧也將會減少，導致魚類缺氧，降低存活率。但是在合適的時間內適當降低水位，可以使水中的營養(yǎng)成分更加集中，是魚在這段時間內攝取充足的營養(yǎng)成分，變得更加“肥美”。如果水位過高，水中的微生物擴散范圍太廣泛，投食也會相應困難，從而導致魚類攝取養(yǎng)分不足，甚至死亡。（2）溫度在影響魚塘水質各種環(huán)境的因素中，溫度是最重要的因素之一，對魚類能否健康的生長和繁殖起著決定性因素。溫度會影響物質分子的運動，這一點也會直接的影響魚的成長和發(fā)育。當水溫過高后，水中氧氣揮發(fā)過快，魚塘內氧氣含量減少。根據(jù)調查，當溫度升高后，魚的代謝系統(tǒng)也會隨之提升，但是熱量過高氧氣含量減少會導致魚類窒息死亡的危險。[11]如果溫度過低，魚類的生長環(huán)境受到影響，新陳代謝慢慢減少，甚至會導致魚類進入休眠期，休眠期的魚類是不會生長發(fā)育的，直接性導致魚類產量下降。如果水溫低于魚類自身的承受極限的話，魚體很可能會失溫，更嚴重會將魚的體液凍結從而導致魚的死亡。所以定期監(jiān)控溫度，合理調控溫度變化，在一定時間內適當升溫才能將魚的產量達到最大化。（3）溶解氧含量氧氣是生物生存必不可少的因素，水中生物也需要氧氣來支持其生長發(fā)育和繁殖，水中溶解養(yǎng)不僅受到溫度的影響，還受到了大氣壓強的影響。在正常情況下（20攝氏度，100千帕大氣壓強），純凈水中的溶解氧含量基本達到飽和狀態(tài)，大概為9mg/L。[12]但是這種環(huán)境下不僅益于魚類生長，還有利于其他水中生物的生長，一些有機化合物也會在此狀態(tài)下發(fā)生講解，消耗水中氧氣，并產生大量二氧化碳。氧氣含量重組導致水中植物藻類大量繁殖，他會對魚類產生非常嚴重的影響，藻類的生長需要消耗大量的氧氣，當水中氧氣低于正常狀態(tài)下的百分之三十，有些魚類的呼吸就會被抑制，低于百分之四十，就可能會導致魚類窒息死亡。所以，持續(xù)關注魚塘中水體內的溶解氧含量非常重要[13]。（4）水質水的質量通常也直接影響著魚類能否正常健康生長，水質的好壞通常能通過水色來判斷，水色標志著水內營養(yǎng)成分含量以及浮游生物的多少，同時也反映出水體的污染程度，這時對水的渾濁度采集就變得尤為重要了[14]。第3章硬件系統(tǒng)的設計3.1總體設計框架在開始制作本設計之前，我們要先了解起總的的設計框架，并根據(jù)框架來進行本品的設計，總體框架圖如下：圖3-8設計總體框架圖3.2單片機設計3.2.1STM32F103單片機Stm32F103型單片機處理器是一種功能強大的32位處理器，它擁有多種硬件資源。該處理器內置AD采集和DA輸出功能，能用串行接口和外部設備通訊。此外，該系統(tǒng)還配有多個定時器，可進行信號的采集、計時等功能。另外，該系統(tǒng)還提供了一種利用外接中斷的方式來進行數(shù)據(jù)處理的方法，并提供了一系列的管腳來控制輸出和輸入信號的獲取。在單片機對數(shù)據(jù)進行處理時，利用其對外界信息的高速處理，可實現(xiàn)對相關數(shù)據(jù)的實時上載。并且單片機可以與其他設備協(xié)同工作，在嵌入式操作系統(tǒng)的幫助下提高系統(tǒng)的操作速度和穩(wěn)定性。Stm32F103型單片機處理器內置的AD采集和DA輸出功能使得它可以輕松地進行模擬信號采集和輸出。通過串口通信，單片機可以方便地與其他設備進行數(shù)據(jù)交互，廣泛應用于各種電子設備。此外，單片機還擁有多個定時器，可用于周期性任務、計時并產生工作周期等應用場合。除此之外，單片機還具有外部中斷功能，可以實現(xiàn)特定事件的即時響應，滿足實時控制需求。它還擁有大量的引腳，可以輕松地控制外部設備的輸入和輸出，并且支持多種通信協(xié)議，如SPI、I2C等等。在數(shù)據(jù)處理方面，由于單片機具有快速的外部處理能力，它可以實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)的時時上傳。并且它還可以與其他設備配合工作，通過嵌入式操作系統(tǒng)提高系統(tǒng)的操作效率和穩(wěn)定性。例如，在自動化生產線上，使用Stm32F103型單片機處理器可以較為方便地監(jiān)測設備的溫度、濕度等環(huán)境信息，并及時反饋給中央控制系統(tǒng)。總之，Stm32F103型單片機處理器是一種功能強大的32位處理器，它擁有多種硬件資源和通信接口，適用于各種應用場景，如傳感器讀取、控制系統(tǒng)、自動化生產線等。在實際應用中，它展現(xiàn)了準確、高效和穩(wěn)定的特點，成為了電子行業(yè)中不可或缺的核心組件之一。[15]3.2.2單片機介紹當使用stm32單片機的時候，單個的單片機芯片不能完成相應的功能，必須要借助到外部的電路來進行程序的運行。為保證單片機可以成功地執(zhí)行程序，設計了一種最小的系統(tǒng)電路，其主要包括單片機時鐘電路、單片機復位電路、單片機程序下載電路以及電源電路。下面我們簡單地分析一下其中的關鍵部分。單片機復位電路我們可以理解為是一種在MCU工作過程中發(fā)生死機的情況下才能使用的電路。在電機運行過程中，有可能會受到外部環(huán)境的干擾，造成單片機死機。單片機死機時，不能執(zhí)行程序，也不能對輸入的數(shù)據(jù)和輸出的結果進行處理。所以，此時就需要對MCU進行重置，其中所用的電路就是MCU重置電路。單片機復位電路由按鍵電阻和電容組成。通過按動按鈕，將重置管腳與高電平相連，完成重置操作。這個過程中，電容充電并且經過一定時間后，可以自動放電。這樣，就能夠確保單片機復位電路的正常運行。（1）單片機時鐘電路在單片機執(zhí)行程序的時候，需要單片機可以用相應的頻率信號來執(zhí)行。在單片機中沒有設置時鐘電路的情況下，必須借助于外部的時鐘電路。外部時鐘電路由石英晶振和電容組成。石英晶振子的功能是在工作狀態(tài)下產生振蕩信號，而并聯(lián)諧振電容則是為振蕩信號提供振蕩回路的功能。選取32.768KHz的顆粒尺寸和22pf的電容大小。在單片機最小系統(tǒng)電路中，時鐘頻率非常重要，它決定了單片機的性能。如果頻率太低，會導致單片機運行緩慢；而如果頻率太高，則會增加功耗和發(fā)熱。因此，在設計單片機時鐘電路時，需要仔細考慮所需的頻率，并根據(jù)頻率選擇適當?shù)氖⒕д窈碗娙荨＃?）單片機程序下載電路單片機程序下載電路是指將程序通過下載器下載到單片機內部的過程。在此過程中，要用到軟件，并將對應的管腳保存在MCU中。在此基礎上，分了基于JTAG的單片機程序下載方法和基于串口的單片機程序下載方式兩種。串口下載我們可以理解為使用程序通過串口接口下載到單片機內部的過程。該方式下載速度較慢，但與PC機連接方便，適用于一些小型項目。JTAG下載是一種更快、更可靠的下載方式，它通過JTAG接口將程序下載到單片機中。該方式下載速度快，但需要相應的硬件支持，適用于大型項目或在高噪聲環(huán)境下使用的項目。（3）電源電路單片機最小系統(tǒng)電路中還需要電源電路來提供電源。電源電路主要包括電源管理芯片、穩(wěn)壓器等部分。電源管理芯片負責信號的開關、控制、轉換和保護等工作，可以有效地保護單片機免受電源干擾。穩(wěn)壓器則負責將輸入電壓穩(wěn)定為單片機所需的電壓。在選擇穩(wěn)壓器時，需要考慮其輸出電流、效率以及溫度特性等因素?？傊琈CU最小系統(tǒng)電路包括MCU復位電路、MCU時鐘電路、SU程序下載電路以及供電電路，是MCU工作的基本單元。這些組成部分的設計和選擇將影響單片機性能的穩(wěn)定性、可靠性以及能耗等方面。因此，在選擇和設計這些部分時，需要仔細考慮所需的功能和參數(shù)，并根據(jù)需求進行合理的設計和選擇。圖3-2單片機實物圖3.3溫度傳感器單元在進行檢測溫度時本裝置主要需要采用能夠檢測溶液的溫度傳感器，經過一系列的選型，本次系統(tǒng)我們決定采用DS18B20數(shù)字型的溫度傳感器，其在使用的同時具有防水功能，與此同時溫度傳感器也具備較高的穩(wěn)定性，能夠以9-12位采集精度轉換溫度，DS18B20是一個非常典型的溫度傳感器,但是，它又與一般的溫度傳感器有較大的不同，它的輸出信號是一個數(shù)字信號，通過單數(shù)字總線技術，將信號直接發(fā)送到處理器當中，并將其顯示在LCD1602液晶顯示屏上。大多數(shù)情況下,該溫度傳感器的體積較小,密封性能高。溫度傳感器的抗干擾能力很強,精度高,價格便宜。在進行供電時，DS18B20采用5V進行供電，該溫度傳感器一共有三個引腳可供使用，能直接連接單片機處理器，電路設計原理圖如下圖3.2所示：圖3.3溫度傳感器單元3.4投喂電機驅動在本次制作的系統(tǒng)設計中，要求單片機對外部投喂機電路進行控制，由于單片機驅動能力較弱，不能驅動大負載，因此在本設計的過程中，需要增加負載驅動電路，單片機在進行控制時，可以通過輸出控制信號來控制該電路的驅動，經過篩選，最終選定了L298N集成驅動電路來控制負載電路，以下將對L298N進行簡要的介紹。L298N是現(xiàn)在工程師常用的一款集成電路驅動的芯片，該芯片在引腳方面共有15個引腳，內部由兩個H橋電路進行驅動，在設計的過程中，可以利用不同的控制方式和控制組合來對驅動電路的通斷進行控制，改款芯片的最大耐壓值可以達到40V，驅動電流可以達到2A，所以可以滿足50W的使用要求。下圖3.3為L298N電機驅動電路原理圖。圖3-4L298N集成電路實物圖3.5光照采集單元在處理光照采集工作的過程中，所要使用的光照采集功能模塊，主要是使用了光敏電阻，光敏電阻可以理解為是一種可以進行對光照進行檢測的功能單元模塊，在使用的過程中，光照傳感器中的光敏電阻將會隨著光照信息的光照強度而變化，當光照強度比較強時，該光敏傳感器的阻值會降低，而當光照強度比較弱時，該光照傳感器光敏電阻的阻值會增大。利用這一關系，并對外部電路進行設計，使其可以根據(jù)光照強度來輸出不同的模擬電壓，并通過單片機系統(tǒng)來采集，從而實現(xiàn)相應的控制功能。下圖3-4為光照傳感器實物圖：圖3-5光照傳感器實物圖3.6渾濁度監(jiān)測模塊在設計該系統(tǒng)的過程中，需要對水質信息進行實時監(jiān)控，在對系統(tǒng)進行監(jiān)控的過程中，主要使用的是渾濁度監(jiān)控模塊，在使用各個模塊的時候，主要是利用了光電效應，在工作的過程中，該模塊的內部具有一對紅外接收以及發(fā)射單元模塊，當水中的雜質過高時，將會對紅外線的發(fā)射產生一定的折射，進而會使接收模塊接收的量變少在紅外接收管接收的時候利用相應的電路對其進行處理，將其轉換為模擬信號進行輸出。圖3-6渾濁度檢測模塊工作示意圖該模塊在進行采集水質混濁度時，具體來說，當水比較清澈時，其中的雜質較少，對光的折射較少，因而其輸出的模擬電壓較高，當內部的渾濁度較高時則對光的折射率變高，使得接收模塊接收光量減少，進而輸出的模擬電壓數(shù)值較，低依靠該種關系，進而分析水質狀況，在進行工作的過程當中該種模塊實物圖如下圖3-6所示：圖3-7渾濁度檢測實物圖3.7LoRa信息通訊模塊在設計系統(tǒng)中，需要將得到的信息進行實時的接收與保存，使用LoRa模塊的好處是它擁有高接收靈敏度，相比于普通的WiFi，藍牙等近距離無線技術，在相同條件下，LoRa模塊擁有更低的功耗，傳輸距離更遠，抗干擾性更強。作為低功耗廣域網的LoRa技術，無線通訊的距離可以達到幾公里甚至幾十公里遠，這些優(yōu)勢使得應用在廣闊的魚塘內會降低成本提高監(jiān)測效率?；ALoRa模塊如下圖所示：圖3-8LoRa模塊實物圖3.8上位機的功能將下位機各個模塊測試好之后，就應加入上位機進行聯(lián)合測試，通過LoRa無線通訊模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到MQTT服務器中，再通過WiFi模塊與上位機鏈接，上位機將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)到用戶所使用的系統(tǒng)當中，本設計使用安卓studio開發(fā)的手機app進行對數(shù)據(jù)的接收，閾值的設定以及相應的控制。歷史數(shù)據(jù)還會保存至MYSQL數(shù)據(jù)庫中以便之后查詢，具體流程如下圖所示：圖3-9上位機功能圖3.9本章小結本章重點講述了硬件，闡述了設計魚塘控制系統(tǒng)所需要的各個硬件模塊，其中主要包括溫度傳感模塊，渾濁度傳感模塊，以及光照傳感模塊，介紹了各個模塊個自的具體功能，連接方式以及工作原理。

第4章軟件系統(tǒng)設計4.1軟件整體設計設計軟件的管理系統(tǒng)主要的功能包括實時數(shù)據(jù)監(jiān)測界面，數(shù)據(jù)的設定界面，遠程控制開關界面以及歷史數(shù)據(jù)的查看界面。他們的主要功能分別為數(shù)據(jù)監(jiān)測界面實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測以及控制，數(shù)據(jù)的設定界面實現(xiàn)了對魚塘養(yǎng)殖環(huán)境中溫度，水的渾濁度，光照等數(shù)據(jù)的閾值設定，遠程控制開關界面實現(xiàn)了自動與手動控制的切換，歷史數(shù)據(jù)查看界面中對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了保留一遍查閱。對魚塘養(yǎng)殖系統(tǒng)環(huán)境的維持計劃。我們將通過終端對設備的自動控制進行時間上的設定，并且可以通過終端對升溫降溫，光照強度以及水泵的開關進行控制。此外，自動控制系統(tǒng)還可以對魚塘養(yǎng)殖過程中閾值變化進行報警警告，當魚塘中溫度變化過大，光照過強，水體過于渾濁雜質過多，系統(tǒng)會及時進行報警處理，這樣的設定極大程度的降低了魚塘養(yǎng)殖過程中的損失，有效的提高了魚類生長的穩(wěn)定性。當我們切換到自動模式時，溫度傳感器，渾濁度傳感器等監(jiān)測到的數(shù)據(jù)小于我們通過APP設定的閾值，系統(tǒng)可以自主調節(jié)溫濕度，此時就可以實現(xiàn)無人看管狀態(tài)下對魚塘的生態(tài)環(huán)境的調節(jié)，以此來維持魚類生長繁殖的最佳環(huán)境，提高產量。當系統(tǒng)運行時，需要對所需的GPIO口，系統(tǒng)時鐘，溫濕度傳感器，光照傳感器進行初始化，使得串口接收終斷和空間終斷，通過調用LED_ShowStering（）函數(shù)，顯示上位機界面。4.2上位機功能設計在設計過程中，上位機端的設計極其重要。在設計過程中我使用AndroidStudio開發(fā)，這樣的好處是可以支持安卓手機或者電腦模擬器。它不僅可以接收實時采集到的數(shù)據(jù)，還可以通過上位機端對下位機進行控制?？梢酝ㄟ^上位機進行設置各個傳感器的閾值，當不滿足閾值的情況下，大了或者小了的話都可以使用箭頭進行提示。還可以通過App軟件查看傳感器近期50條數(shù)據(jù)。4.3上位機設計流程4.3.1主程序設計在本系統(tǒng)處理工作的歷程當中，最先的是系統(tǒng)進行初始化，然后在系統(tǒng)處置完畢之后，對相關參數(shù)的信息進行采集，并且能夠通過液晶顯示器系統(tǒng)進行顯示。該系統(tǒng)通過判斷是否有按鍵來確定當前所處的狀態(tài)。如果有按鍵則需要執(zhí)行相應的操作；如果沒有按鍵則不需要進行任何操作，按下按鍵的同時則該系統(tǒng)將會打開投微電機系統(tǒng)進行投放食物，同時進行溫度，渾濁度及光照強度的判斷處理，在進行判斷處理的過程當中，如果采集到光照過低，則系統(tǒng)將會自動啟動補光裝置，如果采集的或濁度較大，則會自動打開凈化系統(tǒng)進行照明。其主程序設計流程圖如下圖4.1所示：圖4.1主程序設計流程圖4.3.2液晶顯示子程序設計流程圖液晶顯示器作為人機交互界面我們在設計使用程序的過程中，顯示系統(tǒng)要遵循液晶顯示器的流程來設計程序。首先，單片機處理器需要對液晶顯示器展開清屏操作，并將顯示器進行復位。在系統(tǒng)清屏完成之后，單片機控制系統(tǒng)將所需的顯示內容發(fā)送到液晶顯示器，其中包括了顯示內容和顯示內容的顯示位置，液晶顯示器在接收到顯示指令后，就可以完成數(shù)據(jù)的實時修改。液晶設計流程圖可參考下圖4.2圖4.2液晶顯示流程圖4.3.3溫度子程序設計溫度傳感器的首要用途是達到實現(xiàn)溫度采集的目的，該溫度傳感器在我們利用的過程中主要是利用到了單數(shù)字總線技術，因此需要使用單片機發(fā)送相應的指令進行讀取溫度寄存器內部的溫度數(shù)值，先對溫度傳感器的連接引腳進行初始化配置，在初始化配置完畢后進行溫度的讀取，將讀取的溫度進行數(shù)據(jù)處理，時期顯示到液晶顯示器中.下圖4.3為整個系統(tǒng)設計程序流程圖。圖4.3整體設計軟件流程圖以上是對溫度讀取的驅動子程序部分，溫度讀取子程序入圖4.4所示圖4.4溫度讀取子程序4.3.4光照度與渾濁度模塊流程圖單片機系統(tǒng)在進行工作的過程當中，為了實現(xiàn)對ADC/DAC芯片的實時處理，首先要對其進行開機前的準備工作。在系統(tǒng)啟動完畢后，開始進行轉換，并對轉換結果進行實時判斷。在數(shù)據(jù)轉換完成后，對其數(shù)據(jù)進行處理，主要是將其轉化成相應的數(shù)字電壓信息，單片機處理器將轉換后的數(shù)據(jù)信息與渾濁度值和光照度相對應，該設計流程圖可以參考如下圖4-5：圖4.5光照度與渾濁度模塊流程圖4.3.5MySQL數(shù)據(jù)庫的選用接下來介紹使用MySQL數(shù)據(jù)庫的方法流程，使用esp8266，里面集成了網絡的協(xié)議棧，可以直接接入網絡跟手機進行tcp,udp之類的配隊，此處我們使用里面集成at指令的協(xié)議棧。使用數(shù)據(jù)庫前需要查看數(shù)據(jù)庫的表結構：Showdatabases：查看當前數(shù)據(jù)庫有哪些庫。SHOWTABLES查看庫中所有表。desc+數(shù)據(jù)庫名.表明查看數(shù)據(jù)庫的表結構。2.AT+CIPMUX=x,開啟mux多路連接，x為1時開啟，0關閉，http協(xié)議所用的端口為80。配置指令如下：AT+CWMODE=3設置工作模式。AT+RST:模塊重啟。AT+CWJAP:連接當前環(huán)境的WIFI熱點AT+CIPMUX=0：設置單路連接模式。AT+CIPSTART：創(chuàng)建TCP連接。AT+CIPMODE:開啟透傳模式。AT+CIPSEND:進行數(shù)據(jù)傳輸。配置好ESP8266之后，進入了數(shù)據(jù)傳輸模式，在串口助手中出現(xiàn)>,此時選擇GET方式向數(shù)據(jù)庫提交數(shù)據(jù)，檢測數(shù)據(jù)庫輸入數(shù)據(jù)類型，非定義類型數(shù)據(jù)將會報錯。3.如果連接數(shù)據(jù)庫成功后，利用gizputdata（）和uartwrite（）函數(shù)通過串口進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，實現(xiàn)WIFI模塊與主控芯片之間的通信，4.系統(tǒng)在運行時在一些必要的時候需要復位。這是就需要，mcurstart（）函數(shù)對WIFI模塊進行復位。5.通過GizWitsSerMode（）函數(shù)，進行復位以及綁定設備。6.通過dpint結構體把采集到的各項數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫中。Typedefstruct{boolwaterin；//水泵的開關intwatertemp;//水溫intwatertpempup;//水溫的上限intwatertempdown;//水溫的下限intwaterturbup//水的渾濁度上限intwaterturbdown//誰的渾濁度下限intwaterlevel//水位intwaterlevelup//水位上限intwaterleveldown//水位下限}dpint;//數(shù)據(jù)點實現(xiàn)系統(tǒng)內設備的功能，在gizwitsEventProcess（）事件處理函數(shù)中添加需要處理數(shù)據(jù)點的事件，選擇具體的控制模式。4.3.6APP界面的創(chuàng)建在AndroidStudio中，可以使用以下工具來創(chuàng)建APP：新建項目向導：AndroidStudio中有一個新建項目向導用戶可以選擇應用程序的名稱，包名、最低支持的Android版本、應用程序圖標等。布局編輯器：AndroidStudio提供了一個布局編輯器，創(chuàng)建應用程序的用戶界面。用戶可以使用拖放方式將各種UI組件添加到布局中，并設置它們的屬性。代碼編輯器：AndroidStudio提供了一個代碼編輯器，可以編寫Java代碼和XML布局文件。用戶可以使用代碼編輯器來實現(xiàn)應用程序的業(yè)務邏輯和用戶界面。具體步驟如下：1.打開AndroidStudio，點擊“StartanewAndroidStudioproject”按鈕，進入新建項目向導。2.在新建項目向導中，填寫應用程序的名稱、包名、最低支持的Android版本等信息。3.選擇應用程序的模板，例如“EmptyActivity”、“BasicActivity”等。4.在布局編輯器中，使用拖放方式將各種UI組件添加到布局中，并設置它們的屬性。5.在代碼編輯器中，編寫Java代碼和XML布局文件，實現(xiàn)應用程序的業(yè)務邏輯和用戶界面。6.運行應用程序，測試應用程序的功能和性能。7.調試應用程序，解決應用程序中的錯誤和問題。4.3.7使用MQTT協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)在AndroidStudio中實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)并使用MQTT協(xié)議在APP端顯示的主要流程步驟：在AndroidStudio中創(chuàng)建一個新的項目，并添加需要的權限在MainActivity中創(chuàng)建一個MqttAndroidClient對象，并使用它來連接到MQTT服務器。3.創(chuàng)建一個MqttCallback對象，并使用它來處理從MQTT服務器接收到的消息。4.在MqttCallback對象中實現(xiàn)messageArrived()方法，用于處理接收到的消息。5.在messageArrived()方法中，將接收到的消息轉換為字符串，并將其顯示在APP界面上。6.在AndroidStudio中添加錯誤處理和異常處理代碼，以確保程序的穩(wěn)定性和可靠性。7.進行測試和調試，確保程序能夠正常工作并實現(xiàn)預期的功能。圖4.6MQTT協(xié)議部分代碼

第5章軟硬件調試5.1硬件系統(tǒng)調試我們在本系統(tǒng)設計的過程中，展開完成硬件測試的時候，主要是通過要對硬件的各個功能模塊展開一定的改進。首先，我們要保證每個部分都可以正常工作，對單片機最小系統(tǒng)展開檢測，讓其下載程序后可以正常運行。此外，還需要對液晶顯示模塊進行單獨的檢測，可以控制其顯示任何內容。此外，還需要對溫度采集以及單片機硬件電路進行導通實驗。保證了整個電路的工作電壓都是穩(wěn)定的。[16]下位機測試的主要內容如下：各個硬件之間能否穩(wěn)定的進行數(shù)據(jù)互通，傳感器采集數(shù)據(jù)精度是否在規(guī)定的誤差范圍之內。檢查系統(tǒng)在長時間的工作下還可以保證數(shù)據(jù)精確以及工作穩(wěn)定。在STM32主控和傳感模塊的原理圖設計好之后，根據(jù)各個模塊的原理圖將相應的接口在電路板上進行焊接，之后查看鏈接是否出錯，如若沒錯則開始水下實驗。檢查各個系統(tǒng)是否安全，在潮濕的環(huán)境下能否可以順利的工作。圖5.1整體硬件設計圖5.2上位機網絡配置我們在本系統(tǒng)設計的過程中，需要通過上位機來實現(xiàn)遠程的數(shù)據(jù)采集以及操控，本文搭建的魚塘控制系統(tǒng)是選用了esp8266WIFI模塊先與云端建立起連接，先在WiFi模塊里燒錄信息,然后利用GizWits協(xié)議接入到機智云云端，下位機每30秒將會和云端通信一次。進行上報數(shù)據(jù)以及下載控制變動。ESP8266使用指令互相發(fā)送請求與應答的方法與STM32建立通信，兩者之間使用串口進行通信。ESP8266有AirLink和SoftAP兩種入網模式，下位機在初始化時將其配置成AirLink方式入網；STM32主要是向ESP8266發(fā)送查詢指令和控制指令。而ESP8266則通過向STM32發(fā)送查詢指令來獲取STM32的狀態(tài)；通過發(fā)送控制命令是將APP端上傳到機智云的控制數(shù)據(jù)發(fā)送至下位機，WiFi模塊流程圖如下所示：[17]圖5-25.3上位機的調試與測試上位機調試的內容主要是測試云平臺是否能與手機app正常通信，此處可以利用電腦虛擬系統(tǒng)來實現(xiàn)調試，虛擬系統(tǒng)可以模擬真實的設備來進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。在手機APP中輸入控制閾值，具體實現(xiàn)如下圖所示： 圖5-3上位機調試圖5.4本章小結本章首先對下位機硬件控制端進行了測試，之后對上位機進行了網絡配置以及手機APP進行了測試，最后將兩者結合起來，進行了系統(tǒng)的具體的模擬水體養(yǎng)殖系統(tǒng)環(huán)境的測試，經過測試之后，各項數(shù)據(jù)正常，符合預期目標。

第6章總結與展望隨著智能化的發(fā)展，魚塘遠程管理系統(tǒng)在水產養(yǎng)殖業(yè)中逐漸得到了廣泛應用。本文基于STM32單片機設計了一套魚塘遠程管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對魚塘光照、溫度和渾濁度的遠程監(jiān)控和管理。系統(tǒng)具有高精