帶有智能溫度控制的水族箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林天翔 謝欣辰 黃炳曉 丁 嘉

1 設(shè)計(jì)背景

水族箱俗稱魚缸，是一種飼養(yǎng)熱帶魚或金魚用作觀賞的玻璃器皿，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)全球約有6 000 萬以上愛好者。水族箱可分為魚缸、草缸、龜缸等多種類型，簡(jiǎn)單的水族箱往往只飼養(yǎng)一條或者幾條魚，而復(fù)雜的水族箱往往配置齊全的加熱、過濾系統(tǒng)和各種造景，尤其是熱帶雨林缸，有的水族箱系統(tǒng)還配備精密的智能控制系統(tǒng)用于模擬生態(tài)環(huán)境，給人以美的享受。

在中國(guó)，隨著社會(huì)發(fā)展和人民生活水平的逐步提高，有越來越多的人加入水族箱愛好者這一群體中來，但由于缺乏經(jīng)驗(yàn)以及工作繁忙，很多水族箱的境況并不是很好，部分水族箱內(nèi)部環(huán)境較差，魚群死亡頻率較高，不僅影響了用戶心情，也影響了水族箱作為裝飾品的作用發(fā)揮。

一個(gè)典型的水族箱必須包含以下功能：首先是過濾系統(tǒng)，過濾系統(tǒng)主要用于過濾水中的雜質(zhì)比如多余餌料、魚便等，在硝化細(xì)菌作用下，將其分解為無害物質(zhì)，避免氨的比例過高；其次是溫度控制系統(tǒng)，很多有熱帶魚基因的魚類尤其是高價(jià)熱帶魚，都需要穩(wěn)定的溫度環(huán)境，倘若箱內(nèi)溫度過低或者變化劇烈，均會(huì)大大影響魚群生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致其死亡；第三是自動(dòng)增氧系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在溫度較高時(shí)節(jié)，及時(shí)向箱內(nèi)補(bǔ)充新鮮空氣，增加水中的溶氧量。除了以上必要系統(tǒng)外，還可以適當(dāng)燈光控制系統(tǒng)、自動(dòng)投餌系統(tǒng)、自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)甚至是自動(dòng)遮光系統(tǒng)，還可以借助發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)和高清攝影機(jī)，將水族箱環(huán)境參數(shù)和實(shí)景畫面通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞到遠(yuǎn)處的用戶移動(dòng)終端中，便于用戶及時(shí)了解家中水族箱的情況[1-2]。

2 水族箱硬件系統(tǒng)

根據(jù)以上需求分析，智能水族箱硬件系統(tǒng)框架簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 智能水族箱硬件框架簡(jiǎn)圖

微控制器是整個(gè)系統(tǒng)核心，通常選用高性能的單片機(jī)比如STM3F103 系列單片機(jī)構(gòu)成，其內(nèi)部往往包含64KB 的FLASHROM 和20KB 左右的RAM，可以滿足簡(jiǎn)單算法控制的運(yùn)算能力需求。

外部模塊中主要包含檢測(cè)、輸入、輸出、顯示與傳輸、電源及擴(kuò)展等若干模塊。其中檢測(cè)模塊包含水溫傳感器、水位傳感器和濁度傳感器三部分，用于檢測(cè)水族箱的環(huán)境因子，以便微控制器根據(jù)箱內(nèi)環(huán)境變化做出決策，啟動(dòng)過濾、補(bǔ)水或加熱系統(tǒng)。

燈光控制、過濾控制、增氧控制、自動(dòng)投餌控制、補(bǔ)水和加熱系統(tǒng)構(gòu)成了水族箱智能硬件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)模組。其中燈光系統(tǒng)是一組高亮度LED 補(bǔ)光燈，用于向水族箱內(nèi)補(bǔ)光，但需要注意的是，光照會(huì)加劇箱內(nèi)藻類繁殖，因此光照時(shí)間需要精確控制，非必要時(shí)不開啟補(bǔ)光燈。過濾系統(tǒng)核心是一個(gè)受控的“增氧——造浪——過濾”三合一微型水泵，本次設(shè)計(jì)中水泵額定功率6W，揚(yáng)程約為0.8m，流量約每小時(shí)350升。根據(jù)研究，天然水體的溶氧量通常在7mg/L，而水族箱內(nèi)通常為3-5mg/L，增氧系統(tǒng)主要用于向水中補(bǔ)充氧氣，尤其是在箱內(nèi)魚群密度較高時(shí)，增氧系統(tǒng)的效果除了跟工作功率有關(guān)外，還跟氣石涌出的氣泡大小有關(guān)，在條件允許情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇氣泡顆粒較小的納米氣盤，以增大空氣與水接觸面積，提高溶氧效率。自動(dòng)投餌系統(tǒng)由一個(gè)電機(jī)以及附屬機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，通過微控制器定時(shí)控制閥門的開閉時(shí)間長(zhǎng)短，打開時(shí)間越長(zhǎng)，投餌量越多，且投餌系統(tǒng)與過濾系統(tǒng)需要協(xié)調(diào)，如果15 分鐘內(nèi)魚兒沒有吃完餌料，則開啟過濾系統(tǒng)，將多余餌料過濾掉，以免污染水質(zhì)。加熱系統(tǒng)是一個(gè)PMW 控制的金屬殼加熱棒，利用PWM 和PID 算法，精確控制溫度并改變溫度變化率，將其穩(wěn)定在魚類最適宜的溫度水平上。以上執(zhí)行機(jī)構(gòu)模組和微控制器之間通過三極管、繼電器等驅(qū)動(dòng)電路相連，可在微控制器控制下，改變箱內(nèi)多種物理量狀態(tài)，使得水族箱基本穩(wěn)定在最佳狀態(tài)，減輕用戶的操作負(fù)荷。

由于微控制器自身計(jì)時(shí)精度較低，故設(shè)置外部時(shí)鐘模組（DS12C887），它是一款純數(shù)字式芯片，在無外部電源情況下連續(xù)工作10 年，可計(jì)算到2100 年前七種日歷信息并帶閏年補(bǔ)償，即年、月、日、星期、時(shí)、分、秒。該模組用于為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，減少時(shí)間誤差；輸入模塊（包括六個(gè)獨(dú)立按鍵），可便于用戶設(shè)置和改變預(yù)訂信息或命令；整個(gè)水族箱的狀態(tài)可在顯示模組上顯示出來，也可以通過無線傳輸模組上傳到云端。電源模組給整個(gè)系統(tǒng)提供電力支持，它由一個(gè)220V 轉(zhuǎn) 5V 和3.3V 的模塊化電路構(gòu)成。本系統(tǒng)還留有一定的擴(kuò)展口，預(yù)留給諸如遮光控制模塊等新的輸出控制模塊使用。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件主流程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先完成初始化并進(jìn)行自檢，然后根據(jù)用戶需求選擇自動(dòng)管理模式或手動(dòng)管理模式；自動(dòng)和手動(dòng)管理模式的差別在于手動(dòng)模式下，各種日常工作將在顯示模組顯示，但各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)并不會(huì)被自動(dòng)啟動(dòng)，而等待用戶操作，這樣可讓用戶體驗(yàn)飼養(yǎng)的樂趣；而在自動(dòng)管理模式下，系統(tǒng)將讀取預(yù)存在ROM 中的命令操作符，根據(jù)預(yù)定日程完成定時(shí)自動(dòng)投餌、過濾等功能，考慮到夏天餌料容易變質(zhì)，故最長(zhǎng)自動(dòng)管理時(shí)間限定在7 天。在其他空閑時(shí)間段，系統(tǒng)將不斷查詢當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)信息并加以判斷，根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)用功能實(shí)體（過濾、恒溫、水位控制）等函數(shù)，使得環(huán)境條件維持在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，圖2 為系統(tǒng)主流程圖。

圖2 系統(tǒng)主流程圖

3.2 PID 溫度控制算法

本系統(tǒng)大部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)都采用定時(shí)/開關(guān)控制手法，控制方式簡(jiǎn)單。但考慮溫度控制具有大滯后性以及魚類的適應(yīng)能力，水族箱的溫度控制考慮采用閉環(huán)控制手法。其主要控制思路是利用溫度傳感器檢測(cè)溫度，然后利用PID 算法解算出PWM 占空比，然后通過調(diào)整開啟/關(guān)斷的時(shí)間比值來實(shí)現(xiàn)溫度控制。圖3 是PID 算法基本結(jié)構(gòu)框圖。

圖 3 PID 基本結(jié)構(gòu)框圖

在本系統(tǒng)中采用位置型數(shù)字PID 控制算法，其基本控制公式為：

其中e（k-N）為本時(shí)刻前第N 時(shí)刻的檢測(cè)誤差。

在PID 算法中，比例系數(shù)KP主要用于加快調(diào)節(jié)，減少偏差，但Kp過大會(huì)大幅度增加超調(diào)量；積分時(shí)間TI用于消除靜差，同時(shí)減少超調(diào)；微分時(shí)間TD用于超前響應(yīng)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度同時(shí)改善超調(diào)。在本次設(shè)計(jì)中，考慮到水族箱系統(tǒng)溫度超調(diào)是不允許出現(xiàn)的，因?yàn)轸~類無法承受溫度急劇升高，因此采用了專家型PID 的設(shè)計(jì)思路[4]。主要措施包括：

（1）當(dāng)偏差e（k）絕對(duì)值很大時(shí)，不管誤差變化趨勢(shì)如何，控制器都按預(yù)設(shè)定值輸出，以期快速減少誤差，同時(shí)避免超調(diào)，此時(shí)的系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)。

（2）當(dāng)偏差 e（k）·Δe（k）＞0 或者 Δe（k）=0 時(shí)，說明偏差在朝絕對(duì)值增加的方向變化或者維持某一定值；此時(shí)觀察e（k）大小，如e（k）絕對(duì)值超過某個(gè)設(shè)定值M，則輸出較強(qiáng)的控制作用（2），減少偏差。

如e（k）絕對(duì)值小于該設(shè)定值，則可認(rèn)為雖然偏差有增大趨勢(shì)，但偏差本身并不大，可以考慮實(shí)施一般程度的PID 控制作用（3）。

（3）如 e（k）·Δe（k）＜0，e（k）·Δe（k-N）＞0 或者 e（k）=0 時(shí)，說明偏差的絕對(duì)值有減小的趨勢(shì)或者以達(dá)到平衡，此時(shí)可以維持控制器輸出不變。

（4）如 e（k）·Δe（k）＜0，e（k）·Δe（k-N）＜0 時(shí)，說明偏差處于極值，此時(shí)如果偏差絕對(duì)值較大，可實(shí)施較強(qiáng)的控制作用（4）

如果此時(shí)偏差絕對(duì)值較小，可實(shí)施較弱的控制作用（5）。

（5）當(dāng)偏差小于精度時(shí)，引入積分作用，可進(jìn)一步減少偏差。

根據(jù)以上思路，利用文獻(xiàn)3 中的模型，可實(shí)現(xiàn)較理想的控制效果，其matlab 仿真結(jié)果如圖4 所示。

3.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)型樣機(jī)中采用Zigbee 模塊模擬聯(lián)機(jī)效果，在工程化后可用藍(lán)牙或者wifi 模塊來替代，主要用于多水族箱控制和數(shù)據(jù)整理、傳輸，具體措施如下：

（1）對(duì)分機(jī)進(jìn)行初始化，使其處于接收地址的待命狀態(tài)。

（2）首先主機(jī)發(fā)送代表地址的數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包包括了8 位地址代碼。所有分機(jī)接收該地址包后與本機(jī)地址對(duì)比，匹配的標(biāo)志位置零，并發(fā)送本機(jī)地址返回主機(jī)；否則標(biāo)志位置一，等待主機(jī)發(fā)送下一個(gè)地址數(shù)據(jù)包。

（3）各環(huán)境變量都由4 位數(shù)字組成，在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要將數(shù)據(jù)逐位拆分。

（4）主機(jī)發(fā)送命令 20，21，22，23，分別定義為要求分機(jī)發(fā)送環(huán)境變量的千、百、十、個(gè)位。

圖4 專家型PID 性能仿真

（5）主機(jī)發(fā)送后會(huì)等待分機(jī)應(yīng)答，如分機(jī)發(fā)出有效應(yīng)答信號(hào)并被主機(jī)接收，則下一步主機(jī)將發(fā)送命令，否則重復(fù)發(fā)送地址或命令代碼。

（6）主機(jī)命令信息如表1 所示。

表1 命令信息

4 設(shè)計(jì)效果

根據(jù)以上軟硬件設(shè)計(jì)思路，相繼完成了硬件和軟件設(shè)計(jì)，并制作了樣機(jī)，并利用湊試法[3]在原有算法基礎(chǔ)上調(diào)整了PID參數(shù)，控制效果如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)記錄

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，加入了PID 算法后，控溫效果較傳統(tǒng)模擬式加熱棒效果有很大提升，除非傳感器失靈，否則不易出現(xiàn)“燒煮”效果。

為節(jié)省成本，本次采用了浮子開關(guān)作為液位控制裝置，現(xiàn)實(shí)中浮子開關(guān)精度較低，但高性能的液位變送器價(jià)格過高，難以在家庭水族箱中應(yīng)用，因此未來還需要搜索更具有性價(jià)比更適合家庭的液位控制開關(guān)。

5 結(jié)語

通過以上試驗(yàn)表明，在水族箱智能控制方面，即便是低成本的STM32 系列微控制器，也能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果?，F(xiàn)在水族箱智能控制器還屬于比較小眾的領(lǐng)域，但個(gè)性化需求進(jìn)一步凸顯，會(huì)涌現(xiàn)出各種各樣適合不同類型水族箱的控制器，其生態(tài)環(huán)境控制和模仿能力還將會(huì)進(jìn)一步提高。同時(shí)智能水族箱融入智能家居系統(tǒng)，也會(huì)給這一“古老”的愛好增添新的樂趣。