無(wú)線通信魚(yú)缸遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

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摘要：基于實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)遠(yuǎn)程控制的魚(yú)缸的目的，采用了無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和嵌入式技術(shù)結(jié)合的方法，研究了一種無(wú)線通信技術(shù)的魚(yú)缸遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。通過(guò)運(yùn)行測(cè)試，得出了該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和實(shí)用性，能夠?qū)︳~(yú)缸歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)，并顯示實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，且超出設(shè)定極限值時(shí)可以進(jìn)行預(yù)警提示。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信；嵌入式；遠(yuǎn)程控制

1引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，觀賞魚(yú)缸等之類(lèi)的工藝品逐漸進(jìn)入了家庭。更廣泛出現(xiàn)在家庭、賓館、飯店及會(huì)議室等人群聚集的場(chǎng)所?！棒~(yú)缸”又被稱(chēng)為“水族箱”，這一詞起源于英國(guó)，沿用至今已超過(guò)了150年。隨著科技水平的進(jìn)步，人們欣賞水平和種植水平的提高，水族箱已不僅僅被認(rèn)為是一個(gè)簡(jiǎn)單的容器了，而是一個(gè)相對(duì)完備的生態(tài)系統(tǒng)。但是由于大多數(shù)人對(duì)水族箱微型生態(tài)系統(tǒng)不夠了解，缺乏養(yǎng)護(hù)技能，最后造成“草枯魚(yú)亡”。不同的魚(yú)對(duì)水環(huán)境的要求各不相同，比如熱帶海水魚(yú)則要求魚(yú)缸水溫保持在25℃~27℃左右，且晝夜溫差不能超過(guò)4℃~5℃；普通金魚(yú)水溫在23℃~26℃。同一類(lèi)魚(yú)在繁殖期水溫要高一些。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多控制魚(yú)缸水溫、排水、充氧和照明的產(chǎn)品，但大多是非智能化的單一功能的系統(tǒng)［1~5］。目前全球水族行業(yè)規(guī)模的年增長(zhǎng)率達(dá)到15.6%，歐美、日本等國(guó)家家庭擁有率超過(guò)30%，我國(guó)尚不足1%，但我國(guó)每年各類(lèi)大小魚(yú)缸的銷(xiāo)量就達(dá)上百億元，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的潛力巨大。目前市場(chǎng)上的魚(yú)缸相對(duì)控制設(shè)備簡(jiǎn)單單一。所以本文設(shè)計(jì)一款魚(yú)缸間歇充氧、恒溫控制、自動(dòng)水循環(huán)控制器、自動(dòng)喂食器和燈光自動(dòng)控制器等控制功能于一體的控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)以STM32位核心控制器，結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控魚(yú)缸水環(huán)境［6~7］。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及功能分析

本系統(tǒng)由環(huán)境參數(shù)采集模塊和控制模塊組成。其中，環(huán)境參數(shù)采集模塊主要負(fù)責(zé)魚(yú)缸內(nèi)水溫、水位、水濁度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的采集工作，為系統(tǒng)的智能控制提供參考依據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)周期性地讀取傳感器數(shù)據(jù)，為用戶(hù)展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息和環(huán)境動(dòng)態(tài)信息。智能控制模塊通過(guò)分析環(huán)境參數(shù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，判斷是否給魚(yú)缸啟動(dòng)換水、控溫、照明、喂食等功能。該系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。當(dāng)魚(yú)缸環(huán)境參數(shù)發(fā)生異常，該系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)以及發(fā)出預(yù)警，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)功能。用戶(hù)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)登錄智能生態(tài)魚(yú)缸管理系統(tǒng)，查看歷史數(shù)據(jù)，并且通過(guò)Web提供了各種便捷的信息管理服務(wù)［8~10］。本文設(shè)計(jì)了一款以嵌入式芯片STM32F103ZET6為核心控制器的魚(yú)缸遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，運(yùn)用傳感器技術(shù)，通過(guò)溫度傳感器、水位傳感器，光強(qiáng)度檢測(cè)、水質(zhì)PH值檢測(cè)傳感器，攝像頭模塊，對(duì)魚(yú)缸環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，對(duì)魚(yú)缸生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)的能力，根據(jù)生態(tài)狀況，對(duì)魚(yú)缸進(jìn)行氣泵、水泵是否開(kāi)啟、加熱器是否關(guān)閉等相關(guān)操作。用戶(hù)借助手機(jī)終端可以實(shí)時(shí)的獲取魚(yú)缸的相關(guān)參數(shù)，并以此判斷魚(yú)缸當(dāng)前的物理環(huán)境狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)缸的遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人們可以利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)地觀看魚(yú)的生活情況［11~12］。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的主控芯片采用STM32的ARM微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3。STM32與51單片機(jī)芯片相比較，STM32一次處理數(shù)據(jù)寬度32位，處理數(shù)據(jù)能力是51單片機(jī)的4倍；STM32內(nèi)部RAM和ROM都遠(yuǎn)大于51單片機(jī)；STM32性能穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)因內(nèi)部問(wèn)題而造成的輸出不穩(wěn)定。該系統(tǒng)采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控芯片，主要由水位控制模塊、水溫控制模塊、照明控制模塊、攝像頭模塊、、Wi-Fi通信模塊、喂食控制模塊、加氧模塊、水泵控制模塊、水質(zhì)PH值檢測(cè)模塊和電源模塊組成。如圖2所示。

3.1水位控制模塊

在實(shí)際生活中，魚(yú)缸水量蒸發(fā)，水位下降。該系統(tǒng)采用的水位傳感器有五個(gè)點(diǎn)：最下端點(diǎn)1為基準(zhǔn)點(diǎn)，點(diǎn)2、3、4、5等距離分布，此五個(gè)端點(diǎn)發(fā)出的頻率各不相同。設(shè)端點(diǎn)1為液位下限，當(dāng)液位到達(dá)下限時(shí)開(kāi)啟水泵，自動(dòng)加水；設(shè)端點(diǎn)5為液位上限，當(dāng)液位達(dá)到上限時(shí)斷開(kāi)供水泵電路停止加水。該五個(gè)端點(diǎn)分別通過(guò)五根導(dǎo)線接入控制面板中，再通過(guò)控制面板的信號(hào)線、電源正極和電源負(fù)極三根線連接到控制器，把魚(yú)缸水位控制在上限水位與下限水位之間，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離控制水位。

3.2水溫控制模塊

水溫控制模塊采用DS18B20溫度傳感器芯片，芯片防止短路，防水防潮，防生銹，每個(gè)探頭經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試，3.0V~5.0V供電，測(cè)量精度±0.5℃，感溫范圍-55℃~125℃，抗干擾性好。封裝后的DS18B20可用于高爐水循環(huán)測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫和農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。如圖3所示。適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。根據(jù)檢測(cè)溫度值是否在設(shè)定閾值范圍內(nèi)來(lái)控制加熱器的開(kāi)啟和關(guān)閉。

3.3自動(dòng)喂食模塊

本模塊主要實(shí)現(xiàn)主人不在家時(shí)自動(dòng)投食的功能。該模塊通過(guò)控制減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成自動(dòng)喂食?？刂齐姍C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間即可控制每次投食量。減速電機(jī)采用N20型直流電機(jī)，5V供電。3.4攝像頭模塊該系統(tǒng)采用OV2640作為攝像頭模塊，能滿(mǎn)足本系統(tǒng)的圖像傳輸能力，具有影像處理功能。且該模塊輸出JPEG格式的圖片，且圖片大小可調(diào)，占儲(chǔ)存空間較小。當(dāng)手機(jī)Wi-Fi打開(kāi)后，連接控制器，通過(guò)點(diǎn)擊屏幕的“↑”，“↓”，“←”，“→”按鈕，給控制器發(fā)送指令通過(guò)舵機(jī)調(diào)整攝像頭的位置［13］。

3.5水質(zhì)PH值檢測(cè)模塊

PH傳感器模塊是可進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的PH值計(jì)檢測(cè)傳感器模塊。該模塊具有連線簡(jiǎn)單、方便實(shí)用等特點(diǎn)。傳感器的電極用來(lái)測(cè)量水溶液中的氫離子活度，即PH值，屬于PH計(jì)測(cè)量元件。該模塊通過(guò)檢測(cè)PH數(shù)值，進(jìn)行判斷是否開(kāi)啟或關(guān)閉過(guò)濾器，給魚(yú)提供適合生長(zhǎng)的酸堿性水環(huán)境［14］。

3.6照明控制模塊

本模塊主要包含了BH1750數(shù)字光強(qiáng)度傳感器。芯片內(nèi)部的光敏二極管接近人眼反應(yīng)，可檢測(cè)光強(qiáng)度范圍為0～65535lx。BH1750光強(qiáng)度數(shù)據(jù)的讀取應(yīng)遵循I2C總線協(xié)議［15］。

3.7Wi-Fi通信模塊

系統(tǒng)通過(guò)Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)STM32與智能手機(jī)的連接，智能手機(jī)可以接收各傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，也可以控制調(diào)節(jié)魚(yú)缸內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)值［16］。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能魚(yú)缸控制系統(tǒng)軟件程序包括主程序、水位檢測(cè)控制子程序、水溫檢測(cè)控制子程序、Wi-Fi通信程序、水質(zhì)檢測(cè)子程序、自動(dòng)喂食控制子程序、照明控制子程序等。系統(tǒng)的工作流程為系統(tǒng)初始化，各項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)［17~18］。圖4為系統(tǒng)主程序流程圖。Wi-Fi通信模塊經(jīng)無(wú)線路由器接入互聯(lián)網(wǎng)并連接服務(wù)器，繼而將水位、水溫、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)參數(shù)信息傳入服務(wù)器中。移動(dòng)終端設(shè)備的Android軟件可接收服務(wù)器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)信息，也可向服務(wù)器發(fā)送控制信息，實(shí)現(xiàn)每秒刷新一次數(shù)據(jù)信息。此外，Android軟件通過(guò)對(duì)水位、水溫設(shè)定預(yù)警值，通過(guò)彈出報(bào)警對(duì)話框?qū)崿F(xiàn)對(duì)用戶(hù)預(yù)警提示。該網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議為T(mén)CP協(xié)議，利用TCP通訊可以逐幀更新WEB中的圖片達(dá)到視頻效果。這樣就可以在世界各地控制我們的智能網(wǎng)絡(luò)魚(yú)缸了［19~23］。手機(jī)端APP包含有三大部分：Wi-Fi鏈接界面設(shè)計(jì)，定時(shí)任務(wù)界面設(shè)計(jì)，人工控制界面設(shè)計(jì)。用戶(hù)使用時(shí)，打開(kāi)程序，會(huì)進(jìn)入Wi-Fi鏈接界面，該過(guò)程為整個(gè)軟件建立一個(gè)與ARM監(jiān)測(cè)器之間的通訊；Wi-Fi鏈接以后會(huì)自動(dòng)進(jìn)入到人工控制界面，該界面包含溫度、水位、PH值的檢測(cè)等；通過(guò)Wi-Fi通信，手機(jī)用戶(hù)可以直接讀取魚(yú)缸監(jiān)測(cè)器的數(shù)據(jù)。

5系統(tǒng)功能測(cè)試

本系統(tǒng)主要是在智能手機(jī)終端上進(jìn)行測(cè)試。在手機(jī)終端可以查看歷史環(huán)境參數(shù)信息（例如水溫、水質(zhì)、水位、添加飼料等），可以設(shè)置喂食時(shí)間和魚(yú)缸自動(dòng)換水，也可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的溫度自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，更有利于水中生物的生存。通過(guò)一段時(shí)間的測(cè)試，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)缸的溫度、液位以及是否喂魚(yú)等進(jìn)行控制，并能控制抽水機(jī)和過(guò)濾器的正常使用以及電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)了在線控制。測(cè)試表明，該系統(tǒng)具有較低的功耗，具有較高的安全性及可行性，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。

6結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是一種基于無(wú)線通信技術(shù)的魚(yú)缸智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103ZET6為核心，給出軟硬件，進(jìn)行了模塊化的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，最終實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)魚(yú)缸的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在長(zhǎng)期的調(diào)試和運(yùn)行中，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較高的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)推廣前景。

作者：肖軍 王琳 劉洲洲 單位：西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院