伴随着国民经济水平的提高，大量丰富居家生活的物件点缀了房屋。人们希望在快节奏生活的同时在家中留有一方净土，能够放慢脚步。在电子产品频繁更新迭代的环境之下，市面上销售的鱼缸大多保留原始的样貌，打理起来十分麻烦，为鱼缸换水、增氧的复杂步骤劝退了许多热爱水生物的年轻人。针对这一问题，我组拟设计一套智能鱼缸系统，系统采用MATLAB编程，通过RS485总线采集水质数据，实现水质较差时的自动换水及水中含氧量较低时的自动增氧，解决传统养鱼中换水难、水中含氧量难以控制的问题。

通过水质传感器接收鱼缸水质及含氧量信息，并由RS485总线采集水质和含氧量数据，使用MATLAB串口编程对采集的数据进行读取，经由MATLAB数据分析之后判断水质及含氧量是否属于健康范围，若不属于则通过控制电磁阀对鱼缸进行换水或充入空气。

1、国内研究现状和发展动态

西安思源学院的吕毅飞、毛威等^[1] 在STC15w系列单片机的基础上设计了智能鱼缸检测系统，通过各路连接的传感器，传输并接收数据，用OLED显示数据，再进行人为修改传感器传输的数据值，调控每个设备的数据值，不仅拥有多个模块，还具有多种设备，易操作，从而能够检测水中的酸碱度、含氨氮浓度、溶解氧浓度、PH值及水温等参数；采取有效的科学技术手段实现净水补氧；加入自动滴水换水装置，保证了水质；使用精密的温度传感器测试水温高低，并人工输入期望温度使得温度控制仪器自动加热或制冷并保持恒温；运用隔热层将鱼缸一分为二，实现鱼缸多元化。图1展示的是系统总体结构框图

图1 系统总体结构框图

南京工程学院机械工程学院的徐昊明、王云龙等^[2]基于物联网设计了以树莓派3B+作为主控核心，通过多种传感器采集水质指标和鱼缸图像等参数，再将采集到的数据由树莓派实时上传到Ubidots平台的智能鱼缸系统。用户可通过固定在鱼缸上的显示屏、手机APP或浏览器查看鱼缸情况。该系统可通过传感器获得实时水质数据并由显示器或物联网平台反馈给用户。当水质不合格时亦可通过电磁阀和增氧泵等设备进行精确调节，克服了传统鱼缸缺乏反馈环节和调节环节的缺陷。图2是系统架构示意图。

图2系统架构示意图

广西科技大学电气学院的宋英路、张玉薇等^[3]利用了微处理器和网络通讯技术, 主要将温度恒定、智能供氧、水位智能控制、间歇性照明和喂食等几个控制模块组成智能鱼缸系统, 各个模块之间与微处理器STM32F103相连接, 另外通过RJ45网关的通信接口与控制核心STM32F103之间进行通信, 在手持终端上实现控制鱼缸各参数的变化，图3是主程序设计流程图。

图3系统主程序设计流程图

成都理工大学的袁春梅、刘思念等^[4]使用中国物联网平台的公开免费云服务器作为云端数据储存和移动设备与鱼缸之间的桥梁，同时利用该平台强大网络传输协议组和ADK实现鱼缸端和云服务器的快速连接，并且利用平台的轻量化应用设计功能,设计出了“小鱼儿”APP,在移动手机端便可通过互联网访问到鱼缸的数据,根据实时数据选择是否对鱼缸设备进行操作。对设备进行控制时,鱼缸端实时监控平台是否下发操作命令,一旦检测到下发的操作命令,便依据程序进行相应操作,从而实现智能充氧、智能换水、智能喂食、智能温度监控等各种功能。图4是系统工作流程图。

图4系统工作流程图

铜陵职业技术学院电气工程系和安徽福讯信息技术有限公司的刘伟、林开司等^[5]设计的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;图5是系统控制总流程图。

图5系统控制总流程图

南京邮电大学的孙洪波^[6]开发了基于Zig Bee无线通信技术[1]的智能生态鱼缸管理系统,能够实现生态鱼缸环境的远程监控和自动调节。本系统主要由三部分组成:环境信息采集与控制、数据传输、数据处理与用户应用管理系统。能够实现实时采集环境数据、随时随地查看鱼缸环境变化、自由调节数值范围功能以及用户数据信息管理功能。图6是系统结构框图。

图6智能生态鱼缸管理系统结构框图

西安石油大学计算机学院的李金武、宋新爱^[7] 设计一款基于Cortex-M3单片机的智能鱼缸自动控制系统，能够实现鱼缸水位监测与报警，鱼缸水质浑浊度监测，LED灯色与亮度控制，间歇启停杀菌灯控制，间歇供断氧控制，通过设置多温度传感器，结合看门狗技术，增强对鱼缸温度的实时监控，防止“煮鱼汤”现象发生，保证了系统的安全性和可靠性。图7是智能鱼缸控制模块。

图7智能鱼缸控制模块

北京大学信息系的Feng Yan和Fuyao Wang^[8]设计和开发的使用安卓手机连接到WiFi模块以便遥控鱼缸的智能鱼缸系统，采用STC89C52微控制器为控制核心，通过ESP8266-01 WiFi模块用于建立服务器运输数据。在MicroPython固件的帮助下，在ESP8266-01中编写了python程序让它成为一个中转站。安卓手机被用作终端。水温和水位采集由DS18B20实现，温度传感器和HC-SR04超声波模块，用Keil软件编写C语言程序控制STC89C52微控制器。数据可以通过WIFI模块呈现给人们，当水温或水位超过指定值时，蜂鸣器也会报警。当人们注意到警报时只需调节温度或水位，便可以遥控鱼缸。并且所选组件完全可用且功能齐全，成本低。 图8是系统模块图。

图8系统模块

西北工业大学的Zheng Jiangbin, Chen Rui等^[9] 设计了一个基于云平台的物联网（IoT）家庭智能鱼缸控制系统。该系统由三部分组成：由微控制器和传感器组成的水族馆组件、用于物联网数据传输的双向云计算平台以及通过安卓应用程序操作鱼缸的用户。控制系统使用传感器和单片机采集数据，并通过HTTP协议将数据发送到云计算平台。鱼缸内部包括Arduino Mega 2560单片微电脑，温度传感器，光传感器，水位传感器、无线模块ESP8266-12N单片机与单片机连接，LED灯显示单片机当前的状态。MCU模块执行数据操作和控制，主要实现水位控制、温度监测和鱼缸照明的强度监测。该芯片收集传感器数据通过PIN，将数据传输到云平台和监视器数据ESP8266-12N芯片具有低功耗的特点功耗高、集成度高、性能稳定。作为Wi-Fi系统中的模块，进行网络数据传输，传感器接收到的数据通过 TCP/UDP协议。图9是鱼缸内部结构图。

图9鱼缸内部结构

    经过资料的查找发现，国内各个智能鱼缸系统的研究大多是利用传感器采集数据，通过互联网或云平台传输数据，单片机接收信号并进而控制，从而实现智能鱼缸的多种功能。但有的设备并不能很好的实现自动化控制，多数情况下仍需要人为手动调节；亦或者一些智能鱼缸只能实现对单一参数进行简单的自动化控制，且各自独立工作，并不是一套统一的设备生态，我们需要推出集合性的多功能鱼缸系统，并且针对手机端口控制功能进行提升。

2、国外研究现状和发展动态

2016年3月，国外的一支设计团队发布了一款名为FishBit 的智能水族箱生态监控系统^[10]，该系统对于箱内的生态环境可以进行智能的监测，并控制对应的水族器械，能够更加方便地养鱼。而Fishbit由三个部分构成，分别为主控单元、水质传感器和WiFi接线板。水质传感器是其最核心的控制单元，对水温、盐度和PH值等进行实时的监控，传感器再利用WiFi同路由器连接，将监测到的状况传输给使用者。但该系统没有集成控制端与相应设备，这就导致连接设备时的过程繁琐并且容易出现配置错误，此外FishBit的售价约为人民币2500元，偏高的价格导致其不易推广^[11]。

图10 FishBit智能系统

2016年10月，Kickstarter ^[12]众筹推出了一款Flat One的智能水族箱照明设备。该照明设备同传统照明设备相比，首先解决了照明单一且不足的现象，其次还能够对淡水鱼和海水鱼进行识别，并给予相应的光线环境。Flat One的最大照明角度可以达到164度，能够对水族箱的各个角落进行全方位的覆盖，同时可以通过相匹配的APP来智能控制Flat One开关以及光线角度。

总体而言，国外的智能鱼缸系统存在集成度低，操作不便，售价高昂等特点，对于用户群体而言性价比低，导致智能鱼缸产品的市场上存在很大的空白，因此本研究具有较高的应用推广价值。

参考文献：

[1]吕毅飞,毛威,薛争争.智能鱼缸监测系统的设计[J].电脑知识与技术,2021,17(23):65-67.DOI:10.14004/j.cnki.ckt.2021.2389.

[2]徐昊明,王云龙,杨俊,陈凯杰.基于物联网的智能鱼缸系统[J].物联网技术,2021,11(10):89-90+96.DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2021.10.027.

[3]宋英路,张玉薇,李政林,和子豪,方敏.基于物联网的鱼缸智能控制系统[J].数字技术与应用,2019,37(04):5-6.DOI:10.19695/j.cnki.cn12-1369.2019.04.03.

[4]袁春梅,刘思念,周杰.基于移动互联网的鱼缸智能监控系统设计[J].信息技术与信息化,2020(09):216-218.

[5]刘伟,林开司,刘安勇.基于物联网的鱼缸智能控制系统设计与实现[J].淮海工学院学报(自然科学版),2016,25(04):1-4.

[6]孙洪波.基于物联网的智能生态鱼缸系统设计与实现[J].微型机与应用,2016,35(23):69-72.DOI:10.19358/j.issn.1674-7720.2016.23.020.

[7]李金武,宋新爱.智能鱼缸自动控制系统设计与实现[J].智能计算机与应用,2020,10(03):284-287.

[8]Feng Yan,Fuyao Wang. Intelligent fish tank based on WiFi module[J]. Journal of Autonomous Intelligence,2018,1(1):

[9]Zheng Jiangbin,Chen Rui,Zhu Hao,Zhang Lei,Ma Chunyan.Intelligent Fish Tank Control System Based on Internet of Things Cloud Computing Platform[P]. Computer Science and Intelligent Control,2018.

[10]什么值得买资讯中心.众筹精选: FishBit 智能水族箱生态监控系统 让养鱼变得更容易[EB/OL]. https://news.smzdm.com/p/9569/, 2015.

[11]徐喆. 一款家用鱼缸智能控制系统设计[D].西南交通大学,2017.

[12]腾讯数码.世上最智能的水族箱照明系统能“因鱼制光”[EB/OL].http://digi.tech.qq.com/a/20161026/024955.htm, 2016.

1、该系统设计的思路独特新颖，利用Matlab编程技术，在基础易得、成本较低的硬件基础下能够实现监测与控制功能，并且适用于各种鱼缸，具有很强的实用性。

2、随着科技的快速发展，人们的生活水平越来越高，鱼类成为很多家庭的宠物，智能鱼缸的受众数目庞大，并且能够给用户带来科技的便利。

3、本项目的设计原理较为简约，但能够在降低成本的条件下获得较强的实用性与稳定性。

1、技术路线

技术路线如图所示，首先编写程序，再由计算机对数据进行采集，然后需要通过计算机对数据进行储存，并实时显示采集的数据。通过分析计算机采集的水质和含氧量的数据，对鱼缸进行换水，补充氧气的操作。

2、拟解决问题

在智能鱼缸系统设计中，首先需要解决对水质的判断，对水质的错误判断导致的频繁换水，或者水质较差均会影响鱼缸中鱼的生命。此外，水中传感器的放置，关闭排水阀门时水位高低，启动空气泵的含氧量标准，都是需要解决的问题。

3、预期成果

（1）成功编写相应程序，并成功运行，达成预期功能。

（2）在过程中不断完善不足之处，使之符合实际使用需求。

（3）尽可能减少成本、把经费控制在预算之内。