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智能化水族箱系統的集成方案設計論文
摘要：為提升水族箱的智能化水平，使人們從耗時耗力的水族箱管理工作中解放出來，文章從系統集成的角度，運用軟件工程思想，設計了智能化水族箱的軟硬件集成方案，最終實現了水族箱的智能化管理，經系統測試運行情況良好。
關鍵詞：水族箱；智能化；系統；設計
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、飯店等公共場所走進尋常百姓家［1］，雖極具觀賞價值，但由于當前市場上水族箱的智能化水平普遍較低，需要人們投入大量的時間與精力進行管理，使得水族箱的推廣應用大大延緩。尤其在人們外出期間，將水族箱內的生活環境維持在適宜的狀態更是遙不可及。由此可見，智能化水族箱的商業前景十分廣闊。目前市場上凈化和改善水族箱內生活環境的設備很多，常見的有過濾器、加熱器、增氧泵等，但大多是非智能化的、單獨工作的部件，并不能滿足市場的需求。水族箱內生活環境主要包括水溫、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聯的統一系統中，通過人機交互界面，才能實現集中、高效、便利的管理。
1系統總體設計
智能化水族箱遵循軟件工程的思想，從系統集成的角度出發，進行集成化開發。具體而言，該智能化系統在市場調查和需求分析的基礎上，首先，確定需要控制的參數及處理機制；其次，以一臺微控制器為核心，通過硬件設計，確定數據采集、微控制器、通信、控制效應裝置、輔助部件5個主要部分；最后，通過軟件設計，實現對水族箱加熱、換水、供氧、投食、照明等功能的集中控制和管理。
2需求分析與參數控制
通過市場調查和需求分析，本智能化系統進行集中控制和管理的水族箱各種參數及其處理機制。
3硬件設計
系統的硬件設計主要包括數據采集、微控制器、通信、控制效應裝置、輔助部件等5個部分，具體設計如下。數據采集部分包括水溫、水位、亮度、水體含氧量、渾濁度、咸度、pH值、投食時間、實時圖像的采集，其中水溫使用溫度傳感器DS18B20進行采集［2］；水位使用設置在過濾器注水口端的超聲波液位計進行采集，并在水位過高或過低時發送檢測信號；亮度通過光強感應模塊進行采集；水體含氧量使用溶氧儀進行采集；渾濁度使用濁度儀進行采集，監測到水體的渾濁度高于預設的渾濁度閾值時，即向微控制器發送信號，并啟動連續檢測模式，以一預設的時間間隔，連續對水體進行N次渾濁度檢測，直至渾濁度低于所述渾濁度閾值時，停止連續檢測模式。如果在N次渾濁度檢測后，渾濁度依然高于所述渾濁度閾值，則發出清洗提示信息；咸度通過咸度檢測單元進行采集；pH值通過pH值計進行采集；投食時間通過時間同步模塊進行采集；實時圖像通過攝像頭進行采集，通過藍牙模塊發送至外部終端手機上。微控制器部分使用1臺8051單片機作為控制器，該微控制器以80C51為內核,其中有30個I/O引腳，用來接收采集的數據，輸出控制效應裝置，另使用一個引腳作為5V穩壓電源輸出，還有一個引腳接地。通信部分用一個HC-05主從一體藍牙模塊來實現，與微控制器電性連接，該模塊特點是：（1）采用CSR主流藍牙芯片，藍牙V2.0協議標準；（2）輸入電壓3.6~6V，禁止超過7V；（3）波特率為1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200，用戶可設置；（4）帶連接狀態指示燈，LED快閃表示沒有藍牙連接；LED慢閃表示進入AT命令模式；（5）板載3.3V穩壓芯片，輸入電壓直流3.6~6V；未配對時,電流約為30mA（因LED燈閃爍，電流處于變化狀態）；配對成功后，電流約為10mA；（6）HC-05嵌入式藍牙串口通信模塊（以下簡稱“模塊”）具有命令響應工作模式和自動連接工作模式。在自動連接工作模式下模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環（Loopback）3種工作角色。當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據事先設定方式連接的數據傳輸；當模塊處于命令響應工作模式時能執行所有AT命令，用戶可向模塊發送各種AT指令，為模塊設定控制參數或發布控制命令。通過控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實現模塊工作狀態的動態轉換�？刂菩b置即微控制器在獲取數據并作出判斷后進行控制的裝置，包括加熱棒、進出水泵、自動投喂單元、LED燈、過濾器單元、制氧機等。其中，加熱棒用于對水體加熱，當溫度傳感器監測到水體溫度低于預設的溫度閾值時，微控制器控制加熱棒加熱，直至溫度傳感器監測到水體溫度達到溫度閾值時，加熱棒停止加熱；進出水泵用于換水，當接收到微控制器的清洗信息時啟動，經過設定的時間段后對水位進行檢測，如果水位過高則關閉進水泵，如果過低則關閉出水泵，直至水位達到預設的閾值時全部關閉；自動投喂單元用于喂食，在時間達到預設的閾值時投食，每次投食結束后系統運行時間自動清零；LED燈用于調節水族箱亮度，當光強感應模塊監測到亮度低于亮度閾值時，調節LED燈變亮，而當光強感應模塊監測到亮度高于亮度閾值時，則調節LED燈變暗；過濾器單元用于對水體進行過濾，當濁度儀監測到水體的渾濁度高于預設的渾濁度閾值時，濁度儀向微控制器發送信號，微控制器控制過濾器單元增加過濾功率，直至濁度儀監測到渾濁度低于渾濁度閾值時，微控制器控制過濾器單元恢復常規過濾功率。制氧機用于對水體增氧，當濁度儀監測到水體的含氧量低于預設的含氧量閾值時，濁度儀向微控制器發送信號，微控制器此時控制制氧機啟動；當含氧量高于含氧量閾值時，濁度儀向微控制器發送信號，微控制器此時控制制氧機關閉。輔助部件主要為過電保護單元，用于在發生漏電等事故時，及時通過繼電器將水族箱電源切斷。
4軟件設計
系統軟件流程以時間控制為核心，基于系統運行時間進行控制，每次投食結束后系統運行時間自動清零，數據每10秒采集一次。系統軟件設計中存在中斷控制、歸一化計算、用戶控制與反饋、采集頻度等幾個關鍵問題，具體作如下論述。
4.1中斷控制
系統的中斷控制是指在到達系統運行的特定時間點時，系統中止計時并切入中斷函數中，待運行中斷函數后，系統重新返回計時。在此過程中，未將各個數據的采集作為主程序，因為若將數據采集作為主程序，則會導致系統時刻都在進行數據采集，高速刷新會影響程序的流暢運行，甚至會導致死機。雖然用演示處理的方法可以解決該問題，但會大大增加程序的占空比，顯著影響處理效率，容易導致處理延誤而造成錯誤。
4.2歸一化計算
歸一化計算用于對檢測到的水體含氧量O、渾濁度H、咸度Xd、pH值等指標進行歸一化處理，得到歸一化后的數據O1，H1，Xd1，pH1，再依據如下公式計算出水體總體狀況評估值W，并將水體總體狀況評估值W通過藍牙模塊發送至外部終端手機上。W=（C1O12+C2H12+C3Xd12+C4pH12姨+Δ）/4，其中，C1，C2，C3，C4為各對應值的權重，且其取值范圍為（0，1），Δ為修正值。通過不同C1，C2，C3，C4及Δ的設定，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
系統由于受單片機運算能力限制，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致的系統故障。同時，系統并未考慮使用過多的外部顯示設備，僅采用手機顯示，這樣可減少成本，同時減輕系統的處理壓力，反饋模式采用基本的詢問-回答模式。
4.4信息安全
在處理反饋和控制操作前，用戶需輸入設定口令，但鑒于系統所需的安全級別不高，因此口令無須加密，直接使用明文存儲，一定程度上也避免了因惡意連接而導致的長時間占用。
4.5關于采集頻度和功耗
經實際使用測試，系統對數據的需求量較小，要求的實時程度較低，所以采用較低的信號采集頻度。另外，本系統采用成本較低、功耗較小的8051單片機進行控制，有利于系統的經濟性。
5結語
以8051單片機為核心的智能化水族箱實現了對水族箱內部的水溫、水位、過濾、喂食、燈光、水體狀況等環境因素的智能控制，大大減少了人們管理水族箱需要投入的時間和精力，同傳統水族箱相比具有如下顯著的優點［4］：（1）自動控制，省時省力；（2）遠程監控，可視性好；（3）參數設置，適應性強。目前該系統集成方案仍有較大的可擴充性，對家庭智能化具有較好的理論前瞻意義和實際應用價值，作者也因此申請了國家發明專利“家用智能水族箱”并獲得授權，專利申請號為201610286411.0。
參考文獻
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