基于ESP32的智能鱼食饲喂器设计与实现

摘要：针对传统宠物鱼饲喂方式中存在的投喂量不精准、时间不固定及外出无法照料等问题，设计并实现了一种基于ESP32微控制器的智能鱼食饲喂器。该饲喂器采用模块化设计，硬件系统以 SDV-002_V1.2 为主控 MCU，集成 ESP32-WROOM 无线通信模块、A4988 步进电机驱动模块及红外光电料仓传感器等，通过微型步进电机驱动螺旋送料机构实现精确投喂控制。软件系统采用分层架构，支持定时定量投喂、手动即时投喂、低料/低电预警、断电记忆、远程控制及数据记录功能，并引入智能调节算法优化投喂量。实验测试结果表明，系统在家庭、办公、科研等场景下运行稳定，投喂精度达±0.5粒，成功率99.9%，4节AA电池供电时续航超6个月，BLE/BLE 通信重连成功率≥99.5%。该设备有效解决了无人值守期间的精准投喂需求，提升了鱼类养殖智能化水平，具备较高的实用价值与推广潜力。

关键词：智能饲喂器；ESP32；精准投喂；远程控制；水族养殖自动化

引言

宠物鱼养殖作为当下广受欢迎的休闲观赏活动，其市场规模正不断扩大。然而，传统的人工投喂模式却面临着诸多现实难题。首先是投喂精度难以保证，人工操作很难精准把控投喂量和时间，若投喂过多，剩余的饲料在水中分解，会消耗大量溶解氧，导致水体中氨氮、亚硝酸盐含量上升，不仅污染水质，还会增加鱼类患病的概率；而投喂不足则会影响鱼类的正常生长发育，降低其免疫力。其次是时间安排缺乏灵活性，当用户因出差、旅行等原因无法按时投喂时，鱼类的健康就会直接受到威胁。再者是环境适应能力较弱，现有的机械式饲喂器普遍存在投喂误差较大（超过 ±5 克）、在潮湿环境中容易受潮堵塞、续航时间较短（仅 2-4 周）等问题，难以满足高精度、长期稳定饲喂的需求，在科研等对数据可重复性要求较高的场景中，其表现尤为不理想。

一、研究目标

本研究聚焦于智能鱼食饲喂器的创新设计与研发，致力于打造一款兼具高精度、低功耗与强环境适应性的新型设备，以突破现有饲喂工具的技术瓶颈。具体而言，研究设定了多维度的核心目标：在投喂精度控制上，追求±1粒级别的超高精度定量投喂效果，通过优化机械传动结构与智能控制算法，引入机器学习、遗传算法等智能 优化算法，对机械传动系统的运行参数、结构设计进行优化，以提高系统效率、降低能耗并减少故障率[1]，确保每次投喂量的误差被严格限定在极小范围内，满足不同鱼类在不同生长阶段对喂食量的精准需求；针对水族箱周边长期高湿的特殊环境，重点解决料仓内鱼食受潮结块引发的出料口堵塞问题，通过创新的防潮材料选用、料仓结构设计及湿度监测联动机制，保障设备在潮湿环境下的长期稳定运行；在能耗管理方面，需在维持BLE与BLE双模无线联网功能的基础上，实现设备续航时间达到6个月以上，通过低功耗芯片选型、休眠唤醒策略优化及通信模块能耗管控等技术手段，平衡联网便利性与续航持久性；同时，设备还需集成远程监控、投喂数据自动记录及基于历史数据与环境参数的智能调节功能，通过开发适配性强的移动端应用，让用户能够随时随地掌握饲喂状态、调整投喂计划，从而显著提升用户操作体验与鱼类养殖的科学化管理水平。这些目标的设定，既贴合家庭观赏鱼养殖的实际需求，也能满足科研实验中对饲喂数据可追溯、可复现的严格要求，具有广泛的实用价值。

二、研究意义

在家庭观赏场景中，设备有效解决了用户假期出行、日常忙碌时的喂鱼难题。通过定时定量投喂功能，确保孔雀鱼、金鱼等观赏鱼在主人外出期间仍能规律进食，透明料仓设计让用户随时掌握鱼粮余量，模块化卡扣安装适配不同尺寸鱼缸，既不破坏家居水景美观，又减少因投喂不当导致的水质恶化，降低换水频率与维护成本，提升家庭养殖的便捷性与观赏体验。

办公场所的水族箱场景中，设备凭借远程控制功能成为“省心助手”。放置于公司茶水间、前台的中型水族箱，可通过手机APP远程设定投喂计划，将远程定时定量喂食与自动喂水相结合，加入环境监测及报警模块，实时监测环境信息并通过云平台将数据传送至主人手机端，当监测环境数据超过一定阈值，系统将会第一时间发出报警信息提醒主人处理[2]，保障珊瑚与小型海水鱼的稳定饲喂，既为办公环境增添生机，又无需专人值守照料，让员工在工作间隙享受水族景观带来的放松，同时避免因疏忽导致的鱼类健康问题。

水族科研与养殖场景中，设备的高精度与数据记录功能具有重要价值。水族馆内不同区域的珍稀鱼类对投喂需求各异，设备可定制多段投喂计划，满足差异化饲喂需求；科研实验室的斑马鱼驯化缸中，±1粒级别的精准投喂与详细数据记录，为鱼类生长规律、营养需求等研究提供可复现的实验依据，小型养殖场则通过设备提升饲料利用率，降低人力成本，实现远程监控下的高效养殖管理。

三、系统总体设计

3.1硬件系统设计

智能鱼食饲喂器硬件系统采用模块化设计，主要由主控模块、通信模块、驱动模块、传感模块及电源模块组成。

主控模块选用SDV-002_V1.2作为核心MCU，该芯片具备高性能时序控制能力，支持精准的电机转速调节，为投喂精度提供核心保障。通信模块采用ESP32-WROOM无线模块，同时支持BLE与BLE通信，实现设备与移动端APP 的远程数据交互，满足用户远程控制与状态监测需求。驱动模块采A4988步进电机驱动芯片，配合微型步进电机与螺旋送料机构构成投喂执行单元。步进电机通过精确的脉冲控制实现转速与转角调节，螺旋结构确保鱼粮均匀输送，二者协同作用使单次投喂误差控制在±0.5粒以内。传感模块包含红外光电对管传感器与湿度传感器。红外传感器可以适应高温和恶劣的环境[3]，在高温环境中可以准确检测料仓余量，实时监测鱼粮是否充足；湿度传感器部署于料仓内部，实时采集环境湿度数据，为防潮控制提供依据。电源模块采用TP4056方案的升降压电源管理模块，支持4节AA电池与USB双供电模式。电池供电时，通过低功耗管理策略实现超长续航；USB供电适用于长期固定场景，确保设备持续稳定运行。

硬件结构采用模块化卡扣设计，投喂单元可快速安装于各类玻璃或有机玻璃水族箱侧壁，无需工具辅助；透明料仓采用防潮工程塑料制作，兼具余量可视化与防潮功能，料槽设计≥15°倾角，进一步降低受潮结块风险。

3.2软件系统设计

软件系统采用分层架构，分为硬件抽象层、网络通信层、业务逻辑层及工具库，各层通过标准化接口实现数据交互，提升系统可维护性与扩展性。硬件抽象层负责底层硬件驱动，包括步进电机控制、传感器数据采集及电源状态监测。通过优化的脉冲生成算法，实现步进电机微步控制，确保送料精度；采用中断触发机制处理传感器数据，提高响应速度。网络通信层基于 MQTT 协议实现设备与云端、移动端的通信，支持 BLE 与 BLE 自适应切换。针对复杂网络环境，设计通信重连机制与信号强度自适应调节算法，确保远程控制响应延迟≤2 秒，重连成功率≥99.5%。业务逻辑层包含核心功能模块：定时定量投喂模块可按用户预设计划（1-6 次/天）自动执行投喂，结合智能调节算法，根据历史投喂记录及环境参数（可选配温度、光照传感器）动态优化投喂量；手动控制模块支持机身按键与APP一键投喂，响应时间≤0.5秒；预警模块实时监测料仓余量与电池电量，通过APP推送与指示灯双重提醒；断电记忆模块在设备重启后自动恢复上次投喂计划，保障饲喂连续性。工具库提供数据存储、日志记录及固件升级等辅助功能，支持本地SD卡与云端双重数据备份，确保投喂记录可追溯。

图 1 系统软件架构图

四、实验与结果分析

4.1实验环境与测试方案

为验证系统性能，搭建多场景实验环境，包括家庭观赏鱼缸（60cm×40cm×50cm，饲养孔雀鱼）、办公海水缸（100cm×60cm×80cm，饲养珊瑚与小型海水鱼）及科研驯化缸（50cm×30cm×40cm，用于斑马鱼实验）。测试指标涵盖投喂精度、续航能力、通信稳定性及环境适应性。

投喂精度测试：为评估投喂精度，测试选取了粒径分别为0.5mm、1mm和2mm的三种鱼粮样本，针对每种粒径规格，均严格在定时投喂模式下执行100次独立的投喂操作，完整记录每次投喂后实际输出的鱼粮数量或等效质量与其预设目标投喂量之间的具体偏差值。

续航测试：为全面评估设备的电池续航性能，本测试采用4节一次性不可充电电池的AA碱性电池作为供电单元，通过设定每日3次定时投喂任务模拟实际工作负载。测试过程中，使用高精度电压传感器，具有更高的输入能量，动态相应性和环境适应能力均较强[4]，可以实时采集电池组两端的电压数据，持续追踪其电压衰减动态变化趋势。监测系统以固定时间间隔记录电压值，直至电池电压降至预设的截止阈值，则表明电池无法维持设备正常运行。最终，通过分析从测试启动至设备因电量不足自动停止工作的总时长，记录并计算出完整的续航时间。

通信稳定性测试：为验证设备在复杂环境中的通信可靠性，本测试分别在两种典型场景中实施：模拟典型住宅环境，存在单堵实体墙阻隔的家庭场景与模拟商业办公环境，存在多堵实体墙及隔断构成的复杂信号遮挡的办公场景。在每个场景下，设备均保持连续72小时不间断运行，同时对其BLE网络连接状态与BLE连接状态进行实时监测。监测系统精确记录测试期间发生的所有意外断开连接事件，并在每次断连后自动触发重连流程，同时精确测量从断连发生到成功重建稳定连接所经历的时间，最终形成完整的断连事件统计与耗时分析报告。

环境适应性测试：第一阶段：将设备置于湿度持续≥80%的封闭式鱼缸模拟环境中，保持连续不间断运行30天。测试期间，每日执行标准投喂任务（模拟实际使用频率），通过目视检查与传感器数据双重验证，实时观察并记录料仓内鱼粮的结块状态、流动性变化以及螺旋送料机构的堵塞发生频率，综合评估其防潮防堵效果；第二阶段：在可控温实验箱中，分别在5℃、15℃、25℃、35℃及40℃五个温度点（覆盖5-40℃范围）下部署设备。每个温度点均采用4节AA电池供电并维持每日3次定时投喂负载，完整记录设备从满电状态运行至自动关机的总时长（续航时间），精确分析不同温度条件下的续航变化规律。

4.2实验结果分析

投喂精度测试结果显示，三种粒径鱼粮的单次投喂误差均控制在±0.5粒以内，平均误差 0.3粒，成功率达99.9%，满足高精度饲喂需求。这得益于步进电机微步控制与螺旋送料机构的协同设计，有效抵消了鱼粮粒径差异对投喂量的影响。

表 1 关键测试结果表

续航测试表明，电池供电模式下设备连续运行 185 天（超 6 个月）后仍保持正常工作，日均耗电量约0.08mAh。低功耗性能源于 ESP32 深度休眠机制与智能电源管理策略，非工作状态下模块功耗降至5μA以下。

通信稳定性测试中，家庭场景 BLE 断连0次，办公场景断连2次，重连耗时均≤1秒，重连成功率100%；BLE通信在10米范围内保持稳定，无断连现象。证明系统在复杂网络环境中具备可靠的通信能力。

环境适应性测试显示，高湿环境下运行30天后，料仓内鱼粮无结块现象，送料机构未出现堵塞，防潮效果显著；-5-40℃温度范围内，设备运行稳定，续航时间波动≤5%，满足不同地域气候条件使用需求。

五、创新点

（1）设计思路上，采用模块化一体卡扣结构，使投喂单元无需工具即可快速适配各类水族箱壁，搭配透明料仓实现鱼粮余量可视化，既保证实用性又不破坏水族景观的整体性；

（2）技术层面，依托 SDV-002_V1.2 高性能 MCU 实现精准时序控制，结合智能调节算法动态优化投喂量，并通过低功耗通信策略在保持 BLE/BLE 联网能力的同时通过动态功耗管理策略，使续航时间从传统饲喂器的2-4周显著提升至185天（提升560%）；

（3）硬件创新体现在微型步进电机与螺旋送料机构的协同设计，实现 ±1 粒级别的高精度控制，同时通过料槽倾角设计与防潮材料应用，有效解决高湿环境下的结块堵塞问题；

（4）应用方面，设备兼容海水/淡水缸、草缸、驯化缸等多场景，可与主流智能生态链（如水质监测、智能灯控设备）联动构建全方位水族管家系统，且在教育与科研领域可作为自动化控制案例，提供可记录、可复现的实验数据，兼具实用价值与学术意义。

六、结论与展望

本研究设计并实现了基于ESP32的智能鱼食饲喂器，通过硬件模块化设计与软件算法优化，解决了传统饲喂方式中精度不足、续航短、环境适应性差等问题。实验结果表明，该设备投喂精度达±0.5 粒，续航超6个月，通信稳定，可满足家庭、办公、科研等多场景需求，显著提升了鱼类养殖的智能化水平。

未来研究将从三方面拓展：一是集成水温、pH 值、溶解氧等水质传感器，实现基于水质参数的智能联动投喂；二是引入图像识别技术[6]，通过摄像头监测鱼群状态，构建自适应投喂策略；三是扩展 LoRa/NB-IoT 通信方式，满足大型养殖场及户外鱼塘的远程监控需求，进一步推动水族养殖自动化发展。

参考文献

[1]卜庆东.基于人工智能的机械传动系统优化与性能提升技术研究.2025

[2]陈典,涂晔,沈映涛,成霜,方愉,段如意.基于STM32的宠物远程投喂和监测系统设计.计算机科学与应用,2023,13(10),1882-1888.

[3]贺媛,温庆荣,徐明轩,张晓亮.密闭式红外传感器的结构热设计研究[J].激光与红外,2020,50(05):586-591.

[4]张超.智能传感器技术在汽车电子技术中的运用.2021.

[5]侯克正,赵芳,胡涣涛,顾玮,何明国.智能照明控制技术的发展和革新.2022.

[6]蒋善超,周月婷,王炜炜,叶澍,杨本固.基于图像识别技术的鱼群浮头检测控制系统设计.软件工程与应用,2022,11(2),335-340.

作者简介：郎辛雨（2005—），女，河北保定人，满族，本科，研究方向：智能控制与嵌入式系统