智能鱼缸一体化系统

一、系统总体架构

智能鱼缸系统由数据采集、控制、执行、显示、通信及电源模块组成。采集模块获取水质及环境数据；控制模块处理数据并生成指令；执行模块调节水质、光照及喂食；显示模块展示状态；通信模块连接用户终端；电源模块供电。

二、实时监测水质参数

2.1 传感器选型

- 水温：DS18B20（-55℃ ～_125^∘C ， ±0.5^∘C ）-pH 值：玻璃电极式（0-14pH， ±0.01pH ）- 溶解氧：荧光法（ 0-20mg/L ， ±0.1mg/L ）- 氨氮：离子选择性电极法（ 0-100mg/L ，±1mg/L）

2.2 数据采集与传输

传感器信号经 A/D 转换后，由微控制器（如 STM32）通过 SPI/I2C 读取，处理后通过通信模块上传至云端，用户可通过APP/ 电脑查看实时数据。

三、自动调节水质环境

3.1 调节策略

-pH 调节：PID 算法控制计量泵添加酸 / 碱调节剂（如碳酸氢钠或磷酸溶液）。

- 溶解氧：低于5mg/L 启动增氧泵，高于8mg/L 停止。

- 氨氮：超限时加强过滤并自动换水。

3.2 执行设备

- 计量泵：精准添加调节剂。

- 增氧泵：低噪音高效增氧。

- 过滤系统：物理（过滤棉）、生物（硝化细菌）、化学（活性炭）三重过滤。

- 自动换水装置：按需换水。

四、智能控制光照与照明

4.1 光照控制算法

根据鱼类需求及环境光线调节：- 热带鱼：白天 5000-8000lux，10-12 小时。- 夜行鱼：夜间 500-1000lux，缩短时间。

4.2 照明设备LED 灯通过PWM 调光，模拟自然光周期（如日出日落暖光）。

五、定时自动喂食装置

5.1 喂食计划设置

用户通过APP 设置喂食时间及量（如小型鱼每日2-3 次）。

5.2 喂食装置结构

- 储食仓：防潮设计（含干燥剂）。

- 下料控制：电机驱动精准投喂。

六、异常警报与提醒功能

6.1 异常检测机制

系统实时监测鱼缸内的水质参数、设备运行状态以及鱼儿的行为。当水质参数超出预设的正常范围时，如水温过高或过低、pH 值异常、溶解氧含量过低、氨氮含量超标等，系统判定为水质异常。当设备出现故障，如加热棒不工作、增氧泵故障、过滤系统堵塞等，系统检测到设备运行状态异常。此外，通过在鱼缸内安装摄像头，利用图像识别技术监测鱼儿的行为，当发现鱼儿出现异常游动、扎堆、浮头等现象时，系统判断鱼儿可能出现异常。

6.2 警报与提醒方式

当系统检测到异常情况时，通过多种方式及时向用户发出警报和提醒。首先，系统通过手机APP 推送通知消息，告知用户具体的异常情况，如“水温过高，请检查加热设备”。同时，系统在手机APP 和电脑端软件上显示醒目的警报信息，并伴有声音提示。此外，对于一些紧急的异常情况，系统还可以通过短信的方式通知用户，确保用户能够及时知晓并采取相应的措施，保障鱼儿的安全和健康。

七、历史数据记录与分析

7.1 数据存储

系统将采集到的水质参数、喂食记录、设备运行状态等历史数据存储在云服务器的数据库中。数据库采用 MySQL 等关系型数据库，将不同类型的数据存储在相应的表中，如水质数据表存储水温、pH 值、溶解氧、氨氮等数据，喂食记录表存储每次喂食的时间、投放量等信息，设备运行状态表记录加热棒、增氧泵、过滤系统等设备的开关时间、运行时长等。数据存储时，为每条数据添加时间戳，以便后续查询和分析。

7.2 数据分析与可视化

用户可以通过手机 APP 或电脑端软件查看历史数据，并进行数据分析和对比。系统提供数据可视化功能，将历史数据以图表的形式展示，如折线图展示水温随时间的变化趋势，柱状图展示不同时间的氨氮含量等。通过对历史数据的分析，用户可以了解鱼儿在不同时间段的生长环境变化，发现水质变化的规律，及时调整养鱼策略，优化养鱼环境。例如，通过分析一段时间内的水质数据，发现氨氮含量在每周的某一天会出现升高的趋势，用户可以提前采取措施，如加强过滤、增加换水频率等，以维持水质稳定。

八、远程控制与智能化管理

8.1 通信技术

系统采用 Wi-Fi 和蓝牙通信技术实现远程控制与智能化管理。在家庭环境中，系统通过 Wi-Fi 模块连接到家庭网络，与云服务器进行数据交互。用户在外出时，可以通过手机 APP 或电脑端软件连接到云服务器，对智能鱼缸一体化系统进行远程控制。当用户在家中时，也可以通过手机 APP 直接与智能鱼缸系统的蓝牙模块进行连接，实现近距离的快速控制和设置。

8.2 远程控制功能

用户通过手机 APP 或电脑端软件可以远程对智能鱼缸一体化系统进行多种操作。用户可以实时查看鱼缸内的水质参数、设备运行状态以及鱼儿的情况。在水质参数异常时，用户可以远程手动控制执行设备进行水质调节，如开启增氧泵、调整 pH 值等。用户还可以远程修改定时喂食计划、调整光照强度和照明时间等。此外，用户可以根据自己的需求，设置不同的场景模式，如睡眠模式下，降低光照强度和照明时间，减少设备噪音；度假模式下，适当减少喂食量，增加换水频率等，实现对鱼缸的智能化管理，随时随地关注鱼儿的生长情况，享受养鱼带来的乐趣。

九、结语

智能鱼缸一体化系统通过集成多种先进技术，实现了对鱼缸水质参数的实时监测、水质环境的自动调节、光照与照明的智能控制、定时自动喂食、异常警报提醒、历史数据记录分析以及远程控制与智能化管理等功能。该系统为鱼类提供了稳定、适宜的生存环境，大大减轻了用户养鱼的负担，提升了养鱼的便捷性和趣味性。随着物联网技术、传感器技术和自动化控制技术的不断发展，智能鱼缸一体化系统将不断完善和优化，功能将更加丰富和强大，市场前景也将更加广阔。未来，智能鱼缸一体化系统有望进一步实现与其他智能家居设备的互联互通，为用户打造更加智能、舒适的生活环境。

参考文献：

[1] 张杰斌 , 谢泽奇 . 基于 STM32 的宠物智能投喂装置的设计与实现 [J].科技创新与应用 ,2021,35(10):93-95.

[2] 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 ,2020,6(03):284-287.

项目编号：S202413604054，项目名称：智能鱼缸一体化系统项目来源：2024 年吉林省大学生创新训练计划项目