公务员期刊网 论文中心 正文

智能化水族箱系统的集成方案设计

前言:想要写出一篇引人入胜的文章?我们特意为您整理了智能化水族箱系统的集成方案设计范文,希望能给你带来灵感和参考,敬请阅读。

智能化水族箱系统的集成方案设计

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