基于嵌入式系統(tǒng)智能魚缸的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

支元++王登科

摘要：當(dāng)今基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能魚缸實(shí)現(xiàn)了家庭科學(xué)養(yǎng)殖的新模式，本文提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的智能魚缸的設(shè)計(jì)，借助手機(jī)短信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制，從系統(tǒng)的功能組成、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：智能控制；魚缸；傳感器

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）29-0155-02

1 概述

當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)牧漁業(yè)有著許多重要的意義，而智能魚缸則是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭中科學(xué)養(yǎng)殖的一種新模式。用戶通過遠(yuǎn)程監(jiān)控了解魚缸的狀況進(jìn)而控制相關(guān)設(shè)備的工作。面對現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模和科學(xué)化養(yǎng)殖的要求，如何對養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測，將養(yǎng)殖環(huán)境控制在最佳狀態(tài)成為非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。養(yǎng)殖水質(zhì)的優(yōu)劣主要包括水的溫度、PH值、溶解氧和透明度，不同的水產(chǎn)動(dòng)物對水質(zhì)參數(shù)的要求各不相同。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，各種傳感信息的獲取已成為可能，結(jié)合成熟的計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)化、實(shí)時(shí)化，并參考水產(chǎn)養(yǎng)殖的專家數(shù)據(jù)，通過控制加熱設(shè)備、水循環(huán)設(shè)備、增氧設(shè)備等改善水質(zhì)，達(dá)到養(yǎng)殖要求，形成養(yǎng)殖科學(xué)化和自動(dòng)化。

2 系統(tǒng)功能組成

該系統(tǒng)的控制對象是魚缸，包括一個(gè)中央控制模塊，其功能是通過嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)與用戶通信，用戶通過手機(jī)短信功能實(shí)現(xiàn)溶氧控制開關(guān)、燈光控制開關(guān)、充氣控制開關(guān)、加熱控制開關(guān)、PH值控制開關(guān)的遠(yuǎn)程控制，在手機(jī)上可以定時(shí)收到魚缸視頻和魚缸溫度的變化曲線，使養(yǎng)魚居民在長時(shí)間出差或者出門旅游的情況下也可以方便地照顧自己的魚缸，克服了現(xiàn)有技術(shù)中魚缸控制功能只能進(jìn)行定時(shí)喂食或者加氣的缺陷。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的水質(zhì)及環(huán)境參數(shù)有：水溶氧量、水溫、光強(qiáng)度、水質(zhì)濁度等參數(shù)[1]，表1顯示控制系統(tǒng)對各項(xiàng)參數(shù)的處理內(nèi)容。

表1 系統(tǒng)控制參數(shù)

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)核心控制芯片采用STC89C52單片機(jī)，該芯片使用簡單、方便、成本低。增氧泵、加熱棒、排水泵、供水泵通過繼電器控制開關(guān)，而繼電器則通過單片機(jī)的引腳連接三極管，三極管和繼電器、加熱棒串聯(lián)。WQ101溫度傳感器：工作溫度范圍-50°到+50°，轉(zhuǎn)換為4mA～20mA的電流輸出，利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測水溫并控制加熱棒對對水體加熱，利用換水來降溫。WQ401溶解氧傳感器：用于測量水中氧氣的含量，量程范圍0～100%，轉(zhuǎn)換為4mA～20mA的電流輸出，通過改變C程序中中斷發(fā)生時(shí)間控制增氧泵充氧時(shí)間和頻率，來改變不同時(shí)期的溶氧度[2]。傳感器采集到的模擬電流信號(hào)分別送入4個(gè)12位A/D，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字編碼，串行輸入到數(shù)據(jù)處理模塊單片機(jī)STC89C52。

經(jīng)編程處理后相關(guān)數(shù)據(jù)送顯示器顯示實(shí)測數(shù)值，鍵盤用于設(shè)置水質(zhì)參數(shù)專家數(shù)據(jù)，當(dāng)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，溫度太低時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)加熱設(shè)備，水含氧量過低時(shí)啟動(dòng)增氧設(shè)備，水渾濁時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)水循環(huán)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的自動(dòng)調(diào)整；用戶隨時(shí)可以在手機(jī)端查看所有設(shè)備狀態(tài)，或控制設(shè)備開關(guān)，調(diào)整參數(shù)范圍實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控；當(dāng)水質(zhì)自動(dòng)調(diào)整出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)通過短信向用戶發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)，提供對異常狀況的適應(yīng)能力。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如下所示：

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

借助溫度、PH值、溶解氧和透明度等傳感器將信息進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)化、實(shí)時(shí)化，并參考水產(chǎn)養(yǎng)殖的專家數(shù)據(jù)，通過控制加熱設(shè)備、水循環(huán)設(shè)備、增氧設(shè)備等改善水質(zhì)達(dá)到養(yǎng)殖要求。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Keil C51集成環(huán)境開發(fā)軟件部分，它兼容了C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，為用戶提供了豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具。軟件流程分為主流程和串口流程，主流程用來采集傳感器數(shù)據(jù)、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、自動(dòng)調(diào)整，串口流程中進(jìn)行手機(jī)指令的接收判斷。

1）系統(tǒng)初始化

首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化編程，硬件方面包括定時(shí)器，中斷控制字等。軟件方面包括定時(shí)器初值設(shè)置，水位高低、水溫高低等初值設(shè)定。

void init（）

{ EA=0；

Init_BH1750（）； //光強(qiáng)傳感器初始化

Ds18b20Init（）； //溫度傳感器初始化

LCD_Yugang_Init（）；//顯示初始化

Uart_Config（）；

Timer0_init（）；

EA=1；}

2）顯示模塊

根據(jù)實(shí)際情況處理8位數(shù)碼管顯示，顯示分為兩種狀態(tài)，一種是參數(shù)編輯狀態(tài)，配合按鍵控制模塊，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)設(shè)置；另一種是非參數(shù)編輯狀態(tài)，顯示系統(tǒng)運(yùn)行信息、各種系統(tǒng)參數(shù)等，如系統(tǒng)時(shí)間。

void LcdDisplay_wendu（int temp） //溫度顯示函數(shù)

{ uchar *t2；

t2=numtochar（temp）；

write_cmd（0x93）；

write_dat（*t2++）；

write_dat（*t2++）；

write_dat（'.'）；

write_dat（*t2++）；}

3）采樣檢測模塊

借助各種傳感器獲取環(huán)境參數(shù)的變化情況和狀態(tài)。環(huán)境參數(shù)主要包括系統(tǒng)時(shí)間、水質(zhì)溫度、水位高低、進(jìn)排水和溶氧度狀態(tài)，照明控制狀態(tài)等。

Wen=Ds18b20ReadTemp（）； //采集溫度

Guang=BH1750_gettemper（）； //采集光強(qiáng)度

Rong=getstate_rongyangliang（）； //采集溶氧量

Zhuo=getstate_zhuodu（）； //采集濁度

Shuiwei=getstate_shuiwei（）； //檢測水位

4）按鍵檢測和控制

按鍵被按下即進(jìn)入中斷模式，檢測按鍵操作并獲取按鍵編碼，而控制模塊和顯示模塊則根據(jù)不同的按鍵編碼完成不同的操作控制或顯示相應(yīng)的信息。

5）輸出控制程序

根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘和按鍵處理信息，結(jié)合當(dāng)前所處工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)充氧、進(jìn)/出水、照明和恒溫控制等工作參數(shù)的取值。

6）看門狗控制

判斷看門狗控制寄存器WDT_CONTR的值是否是程序設(shè)置好的，如果是則將寄存器復(fù)位，并開始新一次循環(huán)；如果不是，則系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)并重新復(fù)位。

7）中斷服務(wù)子程序

主程序中各種信息和數(shù)據(jù)處理子程序，一是放在緩存中，二是放在中斷服務(wù)子程序中完成，本系統(tǒng)利用定時(shí)器中斷服務(wù)子程序，在工作方式1下，通過T0中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)，為控制系統(tǒng)提供控制時(shí)間[3]。

void Timer0_init（） //時(shí)鐘初始化

{ TMOD|=0x01；

TH0=（-50000）/256；

TL0=（-50000）%256；

ET0=1；

TR0=1；}

3 系統(tǒng)實(shí)施效果

該項(xiàng)目受到我校和常州市教育局創(chuàng)新項(xiàng)目的資金扶持與幫助，用戶通過手機(jī)客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)測并控制系統(tǒng)的狀態(tài)，系統(tǒng)平臺(tái)和手機(jī)客戶端顯示效果如下圖所示：

圖2 系統(tǒng)實(shí)物效果

4 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能魚缸經(jīng)過長時(shí)間測試與運(yùn)行，證實(shí)了系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，其成本低廉、易于拓展，適用范圍廣，性價(jià)比高等特點(diǎn)給廣大養(yǎng)魚愛好者也會(huì)帶來更好的興趣感受。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葛華.魚缸只能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2007（5）.

[2] 陳建樹，楊光軍.適合不同魚種生存環(huán)境的智能魚缸的設(shè)計(jì)[J].福建電腦，2013（5）.

[3] 丁惠忠.觀賞魚缸智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].蘇州大學(xué)，2007：36-37.