智能化水族箱系統(tǒng)的集成方案設(shè)計(jì)

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摘要：為提升水族箱的智能化水平，使人們從耗時(shí)耗力的水族箱管理工作中解放出來(lái)，文章從系統(tǒng)集成的角度，運(yùn)用軟件工程思想，設(shè)計(jì)了智能化水族箱的軟硬件集成方案，最終實(shí)現(xiàn)了水族箱的智能化管理，經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行情況良好。

關(guān)鍵詞：水族箱；智能化；系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

0引言

隨著人們生活水平的日益提高，水族箱已逐漸從賓館、飯店等公共場(chǎng)所走進(jìn)尋常百姓家［1］，雖極具觀賞價(jià)值，但由于當(dāng)前市場(chǎng)上水族箱的智能化水平普遍較低，需要人們投入大量的時(shí)間與精力進(jìn)行管理，使得水族箱的推廣應(yīng)用大大延緩。尤其在人們外出期間，將水族箱內(nèi)的生活環(huán)境維持在適宜的狀態(tài)更是遙不可及。由此可見(jiàn)，智能化水族箱的商業(yè)前景十分廣闊。目前市場(chǎng)上凈化和改善水族箱內(nèi)生活環(huán)境的設(shè)備很多，常見(jiàn)的有過(guò)濾器、加熱器、增氧泵等，但大多是非智能化的、單獨(dú)工作的部件，并不能滿足市場(chǎng)的需求。水族箱內(nèi)生活環(huán)境主要包括水溫、含氧量、pH值、渾濁度等信息，這些彼此分離的信息需要集成到相互關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一系統(tǒng)中，通過(guò)人機(jī)交互界面，才能實(shí)現(xiàn)集中、高效、便利的管理。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能化水族箱遵循軟件工程的思想，從系統(tǒng)集成的角度出發(fā)，進(jìn)行集成化開發(fā)。具體而言，該智能化系統(tǒng)在市場(chǎng)調(diào)查和需求分析的基礎(chǔ)上，首先，確定需要控制的參數(shù)及處理機(jī)制；其次，以一臺(tái)微控制器為核心，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)，確定數(shù)據(jù)采集、微控制器、通信、控制效應(yīng)裝置、輔助部件5個(gè)主要部分；最后，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水族箱加熱、換水、供氧、投食、照明等功能的集中控制和管理。

2需求分析與參數(shù)控制

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查和需求分析，本智能化系統(tǒng)進(jìn)行集中控制和管理的水族箱各種參數(shù)及其處理機(jī)制。

3硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集、微控制器、通信、控制效應(yīng)裝置、輔助部件等5個(gè)部分，具體設(shè)計(jì)如下。數(shù)據(jù)采集部分包括水溫、水位、亮度、水體含氧量、渾濁度、咸度、pH值、投食時(shí)間、實(shí)時(shí)圖像的采集，其中水溫使用溫度傳感器DS18B20進(jìn)行采集［2］；水位使用設(shè)置在過(guò)濾器注水口端的超聲波液位計(jì)進(jìn)行采集，并在水位過(guò)高或過(guò)低時(shí)發(fā)送檢測(cè)信號(hào)；亮度通過(guò)光強(qiáng)感應(yīng)模塊進(jìn)行采集；水體含氧量使用溶氧儀進(jìn)行采集；渾濁度使用濁度儀進(jìn)行采集，監(jiān)測(cè)到水體的渾濁度高于預(yù)設(shè)的渾濁度閾值時(shí)，即向微控制器發(fā)送信號(hào)，并啟動(dòng)連續(xù)檢測(cè)模式，以一預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔，連續(xù)對(duì)水體進(jìn)行N次渾濁度檢測(cè)，直至渾濁度低于所述渾濁度閾值時(shí)，停止連續(xù)檢測(cè)模式。如果在N次渾濁度檢測(cè)后，渾濁度依然高于所述渾濁度閾值，則發(fā)出清洗提示信息；咸度通過(guò)咸度檢測(cè)單元進(jìn)行采集；pH值通過(guò)pH值計(jì)進(jìn)行采集；投食時(shí)間通過(guò)時(shí)間同步模塊進(jìn)行采集；實(shí)時(shí)圖像通過(guò)攝像頭進(jìn)行采集，通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至外部終端手機(jī)上。微控制器部分使用1臺(tái)8051單片機(jī)作為控制器，該微控制器以80C51為內(nèi)核,其中有30個(gè)I/O引腳，用來(lái)接收采集的數(shù)據(jù)，輸出控制效應(yīng)裝置，另使用一個(gè)引腳作為5V穩(wěn)壓電源輸出，還有一個(gè)引腳接地。通信部分用一個(gè)HC-05主從一體藍(lán)牙模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，與微控制器電性連接，該模塊特點(diǎn)是：（1）采用CSR主流藍(lán)牙芯片，藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；（2）輸入電壓3.6~6V，禁止超過(guò)7V；（3）波特率為1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200，用戶可設(shè)置；（4）帶連接狀態(tài)指示燈，LED快閃表示沒(méi)有藍(lán)牙連接；LED慢閃表示進(jìn)入AT命令模式；（5）板載3.3V穩(wěn)壓芯片，輸入電壓直流3.6~6V；未配對(duì)時(shí),電流約為30mA（因LED燈閃爍，電流處于變化狀態(tài)）；配對(duì)成功后，電流約為10mA；（6）HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通信模塊（以下簡(jiǎn)稱“模塊”）具有命令響應(yīng)工作模式和自動(dòng)連接工作模式。在自動(dòng)連接工作模式下模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）3種工作角色。當(dāng)模塊處于自動(dòng)連接工作模式時(shí)，將自動(dòng)根據(jù)事先設(shè)定方式連接的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)能執(zhí)行所有AT命令，用戶可向模塊發(fā)送各種AT指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或控制命令。通過(guò)控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。控制效應(yīng)裝置即微控制器在獲取數(shù)據(jù)并作出判斷后進(jìn)行控制的裝置，包括加熱棒、進(jìn)出水泵、自動(dòng)投喂單元、LED燈、過(guò)濾器單元、制氧機(jī)等。其中，加熱棒用于對(duì)水體加熱，當(dāng)溫度傳感器監(jiān)測(cè)到水體溫度低于預(yù)設(shè)的溫度閾值時(shí)，微控制器控制加熱棒加熱，直至溫度傳感器監(jiān)測(cè)到水體溫度達(dá)到溫度閾值時(shí)，加熱棒停止加熱；進(jìn)出水泵用于換水，當(dāng)接收到微控制器的清洗信息時(shí)啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)設(shè)定的時(shí)間段后對(duì)水位進(jìn)行檢測(cè)，如果水位過(guò)高則關(guān)閉進(jìn)水泵，如果過(guò)低則關(guān)閉出水泵，直至水位達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值時(shí)全部關(guān)閉；自動(dòng)投喂單元用于喂食，在時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值時(shí)投食，每次投食結(jié)束后系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)清零；LED燈用于調(diào)節(jié)水族箱亮度，當(dāng)光強(qiáng)感應(yīng)模塊監(jiān)測(cè)到亮度低于亮度閾值時(shí)，調(diào)節(jié)LED燈變亮，而當(dāng)光強(qiáng)感應(yīng)模塊監(jiān)測(cè)到亮度高于亮度閾值時(shí)，則調(diào)節(jié)LED燈變暗；過(guò)濾器單元用于對(duì)水體進(jìn)行過(guò)濾，當(dāng)濁度儀監(jiān)測(cè)到水體的渾濁度高于預(yù)設(shè)的渾濁度閾值時(shí)，濁度儀向微控制器發(fā)送信號(hào)，微控制器控制過(guò)濾器單元增加過(guò)濾功率，直至濁度儀監(jiān)測(cè)到渾濁度低于渾濁度閾值時(shí)，微控制器控制過(guò)濾器單元恢復(fù)常規(guī)過(guò)濾功率。制氧機(jī)用于對(duì)水體增氧，當(dāng)濁度儀監(jiān)測(cè)到水體的含氧量低于預(yù)設(shè)的含氧量閾值時(shí)，濁度儀向微控制器發(fā)送信號(hào)，微控制器此時(shí)控制制氧機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)含氧量高于含氧量閾值時(shí)，濁度儀向微控制器發(fā)送信號(hào)，微控制器此時(shí)控制制氧機(jī)關(guān)閉。輔助部件主要為過(guò)電保護(hù)單元，用于在發(fā)生漏電等事故時(shí)，及時(shí)通過(guò)繼電器將水族箱電源切斷。

4軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程以時(shí)間控制為核心，基于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行控制，每次投食結(jié)束后系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)清零，數(shù)據(jù)每10秒采集一次。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中存在中斷控制、歸一化計(jì)算、用戶控制與反饋、采集頻度等幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，具體作如下論述。

4.1中斷控制

系統(tǒng)的中斷控制是指在到達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行的特定時(shí)間點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)中止計(jì)時(shí)并切入中斷函數(shù)中，待運(yùn)行中斷函數(shù)后，系統(tǒng)重新返回計(jì)時(shí)。在此過(guò)程中，未將各個(gè)數(shù)據(jù)的采集作為主程序，因?yàn)槿魧?shù)據(jù)采集作為主程序，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)時(shí)刻都在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，高速刷新會(huì)影響程序的流暢運(yùn)行，甚至?xí)?dǎo)致死機(jī)。雖然用演示處理的方法可以解決該問(wèn)題，但會(huì)大大增加程序的占空比，顯著影響處理效率，容易導(dǎo)致處理延誤而造成錯(cuò)誤。

4.2歸一化計(jì)算

歸一化計(jì)算用于對(duì)檢測(cè)到的水體含氧量O、渾濁度H、咸度Xd、pH值等指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化后的數(shù)據(jù)O1，H1，Xd1，pH1，再依據(jù)如下公式計(jì)算出水體總體狀況評(píng)估值W，并將水體總體狀況評(píng)估值W通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至外部終端手機(jī)上。W=（C1O12+C2H12+C3Xd12+C4pH12姨+Δ）/4，其中，C1，C2，C3，C4為各對(duì)應(yīng)值的權(quán)重，且其取值范圍為（0，1），Δ為修正值。通過(guò)不同C1，C2，C3，C4及Δ的設(shè)定，可以使水族箱適用于不同種類的魚類。

4.3用戶控制與反饋

系統(tǒng)由于受單片機(jī)運(yùn)算能力限制，只向用戶提供部分控制功能，一定程度上還可避免因誤操作或惡意操作所導(dǎo)致的系統(tǒng)故障。同時(shí)，系統(tǒng)并未考慮使用過(guò)多的外部顯示設(shè)備，僅采用手機(jī)顯示，這樣可減少成本，同時(shí)減輕系統(tǒng)的處理壓力，反饋模式采用基本的詢問(wèn)-回答模式。

4.4信息安全

在處理反饋和控制操作前，用戶需輸入設(shè)定口令，但鑒于系統(tǒng)所需的安全級(jí)別不高，因此口令無(wú)須加密，直接使用明文存儲(chǔ)，一定程度上也避免了因惡意連接而導(dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)間占用。

4.5關(guān)于采集頻度和功耗

經(jīng)實(shí)際使用測(cè)試，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的需求量較小，要求的實(shí)時(shí)程度較低，所以采用較低的信號(hào)采集頻度。另外，本系統(tǒng)采用成本較低、功耗較小的8051單片機(jī)進(jìn)行控制，有利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

5結(jié)語(yǔ)

以8051單片機(jī)為核心的智能化水族箱實(shí)現(xiàn)了對(duì)水族箱內(nèi)部的水溫、水位、過(guò)濾、喂食、燈光、水體狀況等環(huán)境因素的智能控制，大大減少了人們管理水族箱需要投入的時(shí)間和精力，同傳統(tǒng)水族箱相比具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)［4］：（1）自動(dòng)控制，省時(shí)省力；（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控，可視性好；（3）參數(shù)設(shè)置，適應(yīng)性強(qiáng)。目前該系統(tǒng)集成方案仍有較大的可擴(kuò)充性，對(duì)家庭智能化具有較好的理論前瞻意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，作者也因此申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利“家用智能水族箱”并獲得授權(quán)，專利申請(qǐng)?zhí)枮?01610286411.0。

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作者:方筠捷 單位:南京郵電大學(xué)