智能化水族箱系统的集成方案设计

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摘要：为提升水族箱的智能化水平，使人们从耗时耗力的水族箱管理工作中解放出来，文章从系统集成的角度，运用软件工程思想，设计了智能化水族箱的软硬件集成方案，最终实现了水族箱的智能化管理，经系统测试运行情况良好。

关键词：水族箱；智能化；系统；设计

0引言

随着人们生活水平的日益提高，水族箱已逐渐从宾馆、饭店等公共场所走进寻常百姓家［1］，虽极具观赏价值，但由于当前市场上水族箱的智能化水平普遍较低，需要人们投入大量的时间与精力进行管理，使得水族箱的推广应用大大延缓。尤其在人们外出期间，将水族箱内的生活环境维持在适宜的状态更是遥不可及。由此可见，智能化水族箱的商业前景十分广阔。目前市场上净化和改善水族箱内生活环境的设备很多，常见的有过滤器、加热器、增氧泵等，但大多是非智能化的、单独工作的部件，并不能满足市场的需求。水族箱内生活环境主要包括水温、含氧量、pH值、浑浊度等信息，这些彼此分离的信息需要集成到相互关联的统一系统中，通过人机交互界面，才能实现集中、高效、便利的管理。

1系统总体设计

智能化水族箱遵循软件工程的思想，从系统集成的角度出发，进行集成化开发。具体而言，该智能化系统在市场调查和需求分析的基础上，首先，确定需要控制的参数及处理机制；其次，以一台微控制器为核心，通过硬件设计，确定数据采集、微控制器、通信、控制效应装置、辅助部件5个主要部分；最后，通过软件设计，实现对水族箱加热、换水、供氧、投食、照明等功能的集中控制和管理。

2需求分析与参数控制

通过市场调查和需求分析，本智能化系统进行集中控制和管理的水族箱各种参数及其处理机制。

3硬件设计

系统的硬件设计主要包括数据采集、微控制器、通信、控制效应装置、辅助部件等5个部分，具体设计如下。数据采集部分包括水温、水位、亮度、水体含氧量、浑浊度、咸度、pH值、投食时间、实时图像的采集，其中水温使用温度传感器DS18B20进行采集［2］；水位使用设置在过滤器注水口端的超声波液位计进行采集，并在水位过高或过低时发送检测信号；亮度通过光强感应模块进行采集；水体含氧量使用溶氧仪进行采集；浑浊度使用浊度仪进行采集，监测到水体的浑浊度高于预设的浑浊度阈值时，即向微控制器发送信号，并启动连续检测模式，以一预设的时间间隔，连续对水体进行N次浑浊度检测，直至浑浊度低于所述浑浊度阈值时，停止连续检测模式。如果在N次浑浊度检测后，浑浊度依然高于所述浑浊度阈值，则发出清洗提示信息；咸度通过咸度检测单元进行采集；pH值通过pH值计进行采集；投食时间通过时间同步模块进行采集；实时图像通过摄像头进行采集，通过蓝牙模块发送至外部终端手机上。微控制器部分使用1台8051单片机作为控制器，该微控制器以80C51为内核,其中有30个I/O引脚，用来接收采集的数据，输出控制效应装置，另使用一个引脚作为5V稳压电源输出，还有一个引脚接地。通信部分用一个HC-05主从一体蓝牙模块来实现，与微控制器电性连接，该模块特点是：（1）采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准；（2）输入电压3.6~6V，禁止超过7V；（3）波特率为1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200，用户可设置；（4）带连接状态指示灯，LED快闪表示没有蓝牙连接；LED慢闪表示进入AT命令模式；（5）板载3.3V稳压芯片，输入电压直流3.6~6V；未配对时,电流约为30mA（因LED灯闪烁，电流处于变化状态）；配对成功后，电流约为10mA；（6）HC-05嵌入式蓝牙串口通信模块（以下简称“模块”）具有命令响应工作模式和自动连接工作模式。在自动连接工作模式下模块又可分为主（Master）、从（Slave）和回环（Loopback）3种工作角色。当模块处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定方式连接的数据传输；当模块处于命令响应工作模式时能执行所有AT命令，用户可向模块发送各种AT指令，为模块设定控制参数或控制命令。通过控制模块外部引脚（PIO11）输入电平，可以实现模块工作状态的动态转换。控制效应装置即微控制器在获取数据并作出判断后进行控制的装置，包括加热棒、进出水泵、自动投喂单元、LED灯、过滤器单元、制氧机等。其中，加热棒用于对水体加热，当温度传感器监测到水体温度低于预设的温度阈值时，微控制器控制加热棒加热，直至温度传感器监测到水体温度达到温度阈值时，加热棒停止加热；进出水泵用于换水，当接收到微控制器的清洗信息时启动，经过设定的时间段后对水位进行检测，如果水位过高则关闭进水泵，如果过低则关闭出水泵，直至水位达到预设的阈值时全部关闭；自动投喂单元用于喂食，在时间达到预设的阈值时投食，每次投食结束后系统运行时间自动清零；LED灯用于调节水族箱亮度，当光强感应模块监测到亮度低于亮度阈值时，调节LED灯变亮，而当光强感应模块监测到亮度高于亮度阈值时，则调节LED灯变暗；过滤器单元用于对水体进行过滤，当浊度仪监测到水体的浑浊度高于预设的浑浊度阈值时，浊度仪向微控制器发送信号，微控制器控制过滤器单元增加过滤功率，直至浊度仪监测到浑浊度低于浑浊度阈值时，微控制器控制过滤器单元恢复常规过滤功率。制氧机用于对水体增氧，当浊度仪监测到水体的含氧量低于预设的含氧量阈值时，浊度仪向微控制器发送信号，微控制器此时控制制氧机启动；当含氧量高于含氧量阈值时，浊度仪向微控制器发送信号，微控制器此时控制制氧机关闭。辅助部件主要为过电保护单元，用于在发生漏电等事故时，及时通过继电器将水族箱电源切断。

4软件设计

系统软件流程以时间控制为核心，基于系统运行时间进行控制，每次投食结束后系统运行时间自动清零，数据每10秒采集一次。系统软件设计中存在中断控制、归一化计算、用户控制与反馈、采集频度等几个关键问题，具体作如下论述。

4.1中断控制

系统的中断控制是指在到达系统运行的特定时间点时，系统中止计时并切入中断函数中，待运行中断函数后，系统重新返回计时。在此过程中，未将各个数据的采集作为主程序，因为若将数据采集作为主程序，则会导致系统时刻都在进行数据采集，高速刷新会影响程序的流畅运行，甚至会导致死机。虽然用演示处理的方法可以解决该问题，但会大大增加程序的占空比，显著影响处理效率，容易导致处理延误而造成错误。

4.2归一化计算

归一化计算用于对检测到的水体含氧量O、浑浊度H、咸度Xd、pH值等指标进行归一化处理，得到归一化后的数据O1，H1，Xd1，pH1，再依据如下公式计算出水体总体状况评估值W，并将水体总体状况评估值W通过蓝牙模块发送至外部终端手机上。W=（C1O12+C2H12+C3Xd12+C4pH12姨+Δ）/4，其中，C1，C2，C3，C4为各对应值的权重，且其取值范围为（0，1），Δ为修正值。通过不同C1，C2，C3，C4及Δ的设定，可以使水族箱适用于不同种类的鱼类。

4.3用户控制与反馈

系统由于受单片机运算能力限制，只向用户提供部分控制功能，一定程度上还可避免因误操作或恶意操作所导致的系统故障。同时，系统并未考虑使用过多的外部显示设备，仅采用手机显示，这样可减少成本，同时减轻系统的处理压力，反馈模式采用基本的询问-回答模式。

4.4信息安全

在处理反馈和控制操作前，用户需输入设定口令，但鉴于系统所需的安全级别不高，因此口令无须加密，直接使用明文存储，一定程度上也避免了因恶意连接而导致的长时间占用。

4.5关于采集频度和功耗

经实际使用测试，系统对数据的需求量较小，要求的实时程度较低，所以采用较低的信号采集频度。另外，本系统采用成本较低、功耗较小的8051单片机进行控制，有利于系统的经济性。

5结语

以8051单片机为核心的智能化水族箱实现了对水族箱内部的水温、水位、过滤、喂食、灯光、水体状况等环境因素的智能控制，大大减少了人们管理水族箱需要投入的时间和精力，同传统水族箱相比具有如下显著的优点［4］：（1）自动控制，省时省力；（2）远程监控，可视性好；（3）参数设置，适应性强。目前该系统集成方案仍有较大的可扩充性，对家庭智能化具有较好的理论前瞻意义和实际应用价值，作者也因此申请了国家发明专利“家用智能水族箱”并获得授权，专利申请号为201610286411.0。

参考文献

［1］金东林，陈文，陈志鹏，等.基于DSP的智能水族箱系统的设计［J］.科技致富向导，2015（17）：16.

［2］用学礼，陈加勇，李兴江.水族箱向动投料系统设计［J］.常熟理工学院学报（自然科学版），2015（4）：96-99.

［3］宋联兴，王海凯，方欢，等.一种新型智能鱼缸的研究［J］.山西电子技术，2015（6）：82-83.

［4］陈杰，郑纯军，丁开迪，等.基于ARM的智能鱼缸控制系统的设计与实现［J］.软件工程师，2013（18）：44-46.

作者:方筠捷 单位:南京邮电大学