基于WiFi技術(shù)的水族箱自動控制系統(tǒng)設(shè)計

何鵬 王堯 胡純純 陳舒琳 丁嘉

【摘 要】作者采用WiFi技術(shù)設(shè)計了一套以STC 15系列單片機(jī)為核心的多機(jī)集中控制水族箱系統(tǒng)。通過自定通信協(xié)議，系統(tǒng)可以實現(xiàn)分機(jī)與主機(jī)之間的信息交換，主機(jī)可以設(shè)定不同時間來控制分機(jī)的定時喂食、過濾和換水時間等，分機(jī)采用不同傳感器每隔一定時間會將各環(huán)境參數(shù)發(fā)送到主機(jī)，主機(jī)會根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)范圍發(fā)出不同控制命令指揮相應(yīng)分機(jī)執(zhí)行加熱、換水和過濾等操作。

【關(guān)鍵詞】WiFi技術(shù);智能水族箱;自動控制;通信;參數(shù)檢測

中圖分類號： TP273.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）24-0033-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.017

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平不斷完善，人們的生活品味越來越高[1]，與之相關(guān)的居家裝飾行業(yè)迎來了新一輪的發(fā)展空間。由于城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度比農(nóng)村快，越來越多的年輕人選擇在繁華的都市里生活和工作，這里充滿了競爭，因此他們需要承受更多的壓力，于是他們內(nèi)心十分渴望身處在寧靜與和諧的環(huán)境中，而一個蒼翠欲滴、生機(jī)盎然的魚草水族箱可以給人一種寬松舒適的美感，還能調(diào)節(jié)居室環(huán)境。與此同時，當(dāng)代都市生活節(jié)奏越來越快，人們很少有時間來打理水族箱，本設(shè)計為這些問題提供了解決方法。

智能水族箱通過其自帶的控制系統(tǒng)能夠?qū)λ逑涠喾N參數(shù)實施檢測，并根據(jù)預(yù)先算法及時啟動調(diào)節(jié)裝置，使得水族箱的環(huán)境維持在一個較高的水平，降低使用者的負(fù)擔(dān)。

1 硬件電路設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由一臺主機(jī)和兩臺分機(jī)組成，以STC15W4K32S4單片機(jī)作為控制器，具有溫度、水位和含氧量控制、自動喂食和照明等功能[2]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)主機(jī)含水族箱環(huán)境參數(shù)設(shè)置、顯示及系統(tǒng)時間設(shè)定、顯示和發(fā)出控制命令等功能，主要由時鐘、按鍵、顯示、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K組成。時鐘模塊為整個智能水族箱控制系統(tǒng)提供了基準(zhǔn)時間，通過按鍵模塊可以調(diào)整系統(tǒng)當(dāng)前時間和設(shè)置定時時間、環(huán)境參數(shù)上限值和下限值。主機(jī)的微處理器能對分機(jī)所發(fā)環(huán)境參數(shù)與設(shè)定上下限值進(jìn)行比較，并發(fā)出不同控制命令指揮相應(yīng)分機(jī)執(zhí)行加熱、換水、過濾等操作。

分機(jī)采用不同傳感器每隔一定時間會將各環(huán)境參數(shù)發(fā)送到主機(jī)，接收并執(zhí)行主機(jī)所發(fā)的命令，在分機(jī)系統(tǒng)中，主要有溫度傳感器、含氧量傳感器、超聲波測距、自動投食、增氧、過濾、照明、換水、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K。

1.2 單元電路設(shè)計

1.2.1 A/D 轉(zhuǎn)換電路

TLC2543是12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)可以通過該芯片將電壓模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。

1.2.2 DS18B20溫度傳感器電路

DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，采用不銹鋼外殼封裝，測量范圍廣、精度高[3]。

1.2.3 超聲波測距模塊

US-100超聲波測距模塊可實現(xiàn)2cm～4.5m的非接觸測距功能，并自帶對測距結(jié)果進(jìn)行校正的溫度傳感器。

1.2.4 DS12C887時鐘模塊

DS12C887是一款純數(shù)字式芯片，能夠自動產(chǎn)生世紀(jì)、年、月、星期、日、時、分、秒等時間信息。

1.2.5 液晶12684顯示模塊

LCD12864可以在液晶屏幕上顯示參數(shù)，具有體積小，功耗低，超薄輕巧等優(yōu)點[4]。

1.2.6 WiFi無線數(shù)據(jù)通信模塊

WiFi模塊能將串口和TTL電平轉(zhuǎn)換為無線信號，然后通過天線發(fā)射出去，具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、傳輸速度快的特點。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自定通信協(xié)議

（1）所有分機(jī)設(shè)備均處于地址接收狀態(tài)。

（2）主機(jī)先發(fā)送一地址幀，該地址幀具有8位（本設(shè)計共有兩臺分機(jī)設(shè)備地址分別設(shè)為20，21）。所有分機(jī)都接收該幀的地址信息，然后將收到地址與本機(jī)地址相比較，若相同，則標(biāo)志位fag1=0，再將本機(jī)地址發(fā)回主機(jī)，接著接收后續(xù)發(fā)來信息并繼續(xù)執(zhí)行程序;否則fag1=1，繼續(xù)等待地址幀的出現(xiàn)。

（3）分機(jī)的溫度值、水位值、含氧量值均有3位數(shù)字組成，需要把這些數(shù)據(jù)拆分成位、十位、百位后再進(jìn)行傳輸。

（4）主機(jī)發(fā)送命令值為10、11、12時，分別將獲取分機(jī)設(shè)備中數(shù)據(jù)的百位、十位、個位。

（5）主機(jī)先發(fā)送與其通信從機(jī)的地址，等待其中一臺從機(jī)發(fā)回應(yīng)答，若應(yīng)答正確，則發(fā)送命令（30表示主機(jī)接收從機(jī)所發(fā)的數(shù)據(jù)，31表示從機(jī)接收主機(jī)所發(fā)出的數(shù)據(jù)）。

（6）主機(jī)發(fā)出地址或命令后，會等待一段時間，若在該段時間內(nèi)分機(jī)有信號發(fā)回，則繼續(xù)執(zhí)行程序;否則主機(jī)將再次發(fā)送該地址信息。

（7）主機(jī)發(fā)送命令50、51、52，分別代表與分機(jī)進(jìn)行水溫、水位值、含氧量值的傳輸。

（8）啟動或停止分機(jī)設(shè)備端的照明燈、喂食機(jī)、過濾器、加熱器，制冷機(jī)、增氧機(jī)出水閥門和進(jìn)水閥門的命令如表1所示。

2.2 主機(jī)軟件程序

如圖2，該系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，然后選擇與主機(jī)進(jìn)行通信的分機(jī)，分機(jī)將各環(huán)境參數(shù)向主機(jī)傳遞，相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列算法，主機(jī)設(shè)備端相應(yīng)控制命令會傳輸?shù)椒謾C(jī)設(shè)備端。隨后當(dāng)前系統(tǒng)時間會在液晶上顯示出來，最后根據(jù)不同的按鍵及按鍵的次數(shù)進(jìn)入相應(yīng)界面。

2.3 分機(jī)軟件程序

如圖3所示，本設(shè)計中分機(jī)可作為一個獨立系統(tǒng)，分機(jī)系統(tǒng)上電時，系統(tǒng)先初始化，然后開始檢測溫度值、水位值、含氧量值等參數(shù)。該系統(tǒng)通過串口中斷隨時接受主機(jī)所發(fā)數(shù)據(jù)信息，與主機(jī)建立通信關(guān)系，最終從機(jī)驅(qū)動相應(yīng)執(zhí)行器。

2.4 算法

2.4.1 快速選擇法

在對過濾機(jī)和投食機(jī)的開啟時間等多個預(yù)設(shè)時間值進(jìn)行排序時，采用快速選擇法進(jìn)行先后排序。在本系統(tǒng)中這些預(yù)設(shè)值的大小并不確定，而在單片機(jī)中需要先確定大小，再找出比當(dāng)前系統(tǒng)時間略晚的時間，最后將該時間值送入定時系統(tǒng)中，這樣才能保證系統(tǒng)正常運行。

2.4.2 模糊控制法

在溫度調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)存在很大的滯后性和強(qiáng)烈的外在干擾，而模糊控制法能有效地解決這些問題，從而提高系統(tǒng)的控制精度和自適應(yīng)能力。

2.4.3 中位值濾波法

在A/D轉(zhuǎn)換時需進(jìn)行數(shù)字濾波，這里采用“中位值濾波法”。它能有效克服偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。

3 系統(tǒng)測試

表2的數(shù)據(jù)是利用本文所述系統(tǒng)測試所得，由此可知實測溫度值與基準(zhǔn)值誤差在±0.5℃以內(nèi)，實測水位值和基準(zhǔn)值誤差在2%左右，均符合設(shè)計指標(biāo)。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)以15系列單片機(jī)為核心，利用WiFi技術(shù)實現(xiàn)水族箱的自動控制，實現(xiàn)自動投食、放水、照明等功能。物聯(lián)網(wǎng)和微控制技術(shù)的興起，為改善人民日常生活提供了很大幫助，希望以此系統(tǒng)為例，為今后物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，WiFi技術(shù)的發(fā)展奠定一定的基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]丁慧中.觀賞魚缸智能控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].蘇州大學(xué)，2007.10.

[2]劉大川，李釗合，孫淑杰，袁馳，張志佳.水族箱智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].智能計算機(jī)與應(yīng)用，2015，5（2）：98-100.

[3]張軍.智能溫度傳感器DS18B20及其應(yīng)用[J].儀表技術(shù)，2010（4）：68-70.

[4]李玉海，高建明，王雷.基于單片機(jī)控制的液晶顯示電路[J].科技信息，2010（33）：16.