水族箱增氧泵智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林天翔 丁嘉

摘要：該文在分析水族箱增氧泵主要功能和結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，引入以微控制器為核心的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)智能控制手段，利用成熟的傳感器和電機(jī)技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)水族箱增氧泵進(jìn)行了改進(jìn)，使其與智能水族箱系統(tǒng)融合性進(jìn)一步提升，提高了增氧泵運(yùn)行效率，具有節(jié)能、降噪等特點(diǎn)，在家庭使用之余對(duì)農(nóng)業(yè)上珍貴魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖也有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：增氧泵;智能控制;步進(jìn)電機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）28-0225-03

1 背景

隨著經(jīng)濟(jì)水平改善和生活水平提高，飼養(yǎng)金魚(yú)或者熱帶魚(yú)已經(jīng)成為很多人工作之余的一種興趣愛(ài)好。飼養(yǎng)魚(yú)類(lèi)一方面可以美化環(huán)境、調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度;另一方面也可以陶冶情操、增長(zhǎng)知識(shí)、活躍家庭氛圍。飼養(yǎng)魚(yú)類(lèi)也是一件很講究的事情，需要一定的知識(shí)和技術(shù)。在現(xiàn)實(shí)中，很多職業(yè)者工作生活節(jié)奏都很快，時(shí)常顧不上對(duì)魚(yú)類(lèi)的照料，導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)死亡率偏高，影響心情。在這種情況下，智能水族箱就應(yīng)運(yùn)而生。

所謂智能水族箱就是利用現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)水族箱進(jìn)行智能化改造，利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)加強(qiáng)對(duì)環(huán)境因子的檢測(cè)強(qiáng)度和頻度，以檢測(cè)數(shù)據(jù)為依托，加強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境因子的感知能力;再將生物、農(nóng)業(yè)、物理等多學(xué)科知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)融合成控制算法，對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行分析，做出科學(xué)判斷和控制命令;通過(guò)電機(jī)、繼電器、電磁閥、加熱器等電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變環(huán)境因子，使之滿足魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)的需要，同時(shí)達(dá)到節(jié)能、降噪等目的。先進(jìn)的智能水族箱還有視頻檢測(cè)、圖像識(shí)別、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ埽梢詫⑺逑洮F(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊和互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端或者移動(dòng)APP上，這樣即便用戶(hù)在外地出差，都能及時(shí)了解到家中水族箱的情況[1]。

水族箱增氧泵是水族箱的重要組成部件之一，它的原理與工業(yè)增氧泵非常類(lèi)似，但功率較小。其基本工作原理是將空氣通過(guò)氣泡石分解成若干微小氣泡并壓入水中，當(dāng)空氣中的氧氣與水體充分接觸后，部分氧氣溶入水中，從而增加水體的溶氧量，滿足水族箱中魚(yú)類(lèi)、硝化細(xì)菌和藻類(lèi)等耗氧生物的生理需求。

鰓小片是魚(yú)腮上負(fù)責(zé)交換氣體的組織，它包含兩層細(xì)胞和豐富的毛細(xì)血管，形成了一道容許氧氣通過(guò)的壁。溶氧量分壓差是指水體中溶氧量的壓力與鰓小片中溶氧壓力的差值。當(dāng)分壓差大于1時(shí)，水中溶解氧將通過(guò)鰓小片的壁，順利進(jìn)入血液并與其中的亞鐵血紅蛋白（Hb）共同轉(zhuǎn)化為氧合血紅蛋白（HbO2），當(dāng)氧合血紅蛋白通過(guò)需要氧氣的身體組織時(shí)，由于此時(shí)二氧化碳分壓差較低，氧合血紅蛋白會(huì)重新分解成氧氣和亞鐵血紅蛋白，供組織細(xì)胞使用。其相關(guān)轉(zhuǎn)換表達(dá)式如公式1、2所示。其中PCO2表示二氧化碳分壓差。

從公式4可以看出，二氧化碳與血紅蛋白分離必須滿足一個(gè)條件，即氧合血紅蛋白濃度較高。

綜上所述，在水中維持一定量的溶氧量至關(guān)重要。天然水體的溶氧量一般在6.5-7mg/L，而人工水族箱的溶氧量通常在3-5mg/L，因此為了彌補(bǔ)水中溶氧量不足，很多用戶(hù)使用大功率增氧泵24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，終年不息。這種方式既沒(méi)有考慮到魚(yú)類(lèi)的真實(shí)需要，浪費(fèi)了大量電力，也在夜深人靜時(shí)也增大了屋內(nèi)噪聲，容易影響睡眠，是一種粗放型管理模式。

本課題就考慮利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)秀管理能力，引入精細(xì)管理模式，對(duì)傳統(tǒng)增氧泵的運(yùn)行控制進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠具備根據(jù)環(huán)境和時(shí)間條件自動(dòng)調(diào)節(jié)出氣量的功能，減少人為干預(yù)，降低噪聲，節(jié)約能源，避免因長(zhǎng)期出氣量過(guò)大導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)產(chǎn)生氣泡病，影響健康。

2 設(shè)計(jì)原理和硬件框圖

從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上看，增氧泵的核心是一個(gè)220V供電的電磁線圈、磁鐵以及皮碗。當(dāng)線圈通過(guò)220V交流電正半周時(shí)，線圈吸合與皮碗相連磁鐵，并帶動(dòng)皮碗運(yùn)動(dòng)，空氣被鼓入;當(dāng)交流電的負(fù)半周通過(guò)線圈時(shí)，磁鐵與電磁線圈相斥，推動(dòng)皮碗復(fù)位。皮碗復(fù)位時(shí)會(huì)壓縮內(nèi)部的空氣，此時(shí)出氣口就會(huì)產(chǎn)生氣流。由于交流電的周期是50Hz，故皮碗也會(huì)不斷張開(kāi)和壓縮，不斷將空氣鼓出。

在皮碗上部會(huì)有一塊膠塊，旋轉(zhuǎn)膠塊可以改變皮碗與進(jìn)氣閥膠墊的張緊力，當(dāng)張緊力較大時(shí)，皮碗與進(jìn)氣閥間隙極小，大部分氣體通過(guò)管道輸送到氣泡石氣量就大，反之氣量減少，這也是增氧泵氣量調(diào)節(jié)的基本原理。如果用步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與膠塊相連，即可通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)對(duì)出氣量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

從溶解氧的物理性質(zhì)看，其溶解度與溫度呈反比，與氣壓呈正比，即溫度越高氣壓越低，溶解氧含量越少。另外通過(guò)對(duì)水族箱內(nèi)耗氧生物的耗氧規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，在無(wú)光照的夜間，藻類(lèi)也是耗氧大戶(hù)，通過(guò)呼吸作用消耗水中溶解氧，尤其到凌晨4-5點(diǎn)時(shí)，溶解氧含量將達(dá)到全天最低點(diǎn)。由此可見(jiàn)，增氧泵的控制還需要關(guān)注光照、時(shí)間、溫度、氣壓等條件。

考慮到我國(guó)人口大部分分布在低海拔地區(qū)同時(shí)為簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，故省略氣壓條件，以其他三個(gè)因素為基準(zhǔn)，我們?cè)O(shè)計(jì)出的智能溫控水族箱增氧泵硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

微控制器是系統(tǒng)核心，主要功能是接收外部環(huán)境檢測(cè)信息，分析處理后將其轉(zhuǎn)換成電機(jī)控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械軸，進(jìn)而改變?cè)鲅醣贸鰵饬?。由于系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)較少，不考慮輸出指示燈的情況下，最少只需要8個(gè)輸入輸出口，因此可選用20腳左右的簡(jiǎn)化型單片機(jī)如STC15W408AS作為控制核心。

溫度傳感器可以選用防水的DS18B20，其器件是一種數(shù)字式集成型溫度傳感器，檢測(cè)范圍在-55-125℃，檢測(cè)精度約±0.5℃，完全符合要求。外部時(shí)鐘主要向控制系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)，要求能長(zhǎng)期可靠工作，在具體選型時(shí)可以選DS12C877或者DS1302。

光敏電阻用于感應(yīng)周?chē)庹?，采用一個(gè)光敏電阻與一個(gè)固定電阻串聯(lián)的讀取方案，當(dāng)光照低于一定程度時(shí)，光敏電阻會(huì)增大，導(dǎo)致兩個(gè)電阻聯(lián)結(jié)點(diǎn)電壓降低，將這個(gè)電壓送微控制器讀取后可判斷當(dāng)前的光照狀態(tài)。

驅(qū)動(dòng)器可以考慮使用ULN2003。ULN2003是一種集成型大電流達(dá)林頓管陣列，輸出電流約0.5A，足以驅(qū)動(dòng)微型步進(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)是一種脈沖驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，在本次設(shè)計(jì)中選擇28BYJ48型步進(jìn)電機(jī)。它是一種帶減速的四相永磁式步進(jìn)電機(jī)，減速比約為1：64，步進(jìn)角約0.0088°，約4096個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)一周，較多的分級(jí)數(shù)便于實(shí)現(xiàn)對(duì)張緊力的精確控制。

電源模塊主要用于向整個(gè)系統(tǒng)供給穩(wěn)定的電源，可選擇220V轉(zhuǎn)換為3.3V或者5V的開(kāi)關(guān)電源模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

以上模塊都是非常成熟產(chǎn)品，選用它們可以進(jìn)一步降低成本。在實(shí)際安裝制作時(shí)該系統(tǒng)還要考慮必要的密封防水要求。如果本身就處于智能水族箱中，還可將控制核心與智能水族箱的核心合并，進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)[2][3]。

3 程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行自檢，然后調(diào)用外部時(shí)鐘模塊導(dǎo)入時(shí)間，同時(shí)開(kāi)展測(cè)溫工作，當(dāng)溫度達(dá)到10℃以上時(shí)，開(kāi)啟增氧泵，并根據(jù)溫度逐步改變步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，引起氣閥張緊力變化，當(dāng)溫度達(dá)到30℃以上，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到最大，此時(shí)氣閥張緊力也最大，增氧泵全負(fù)荷工作。在10℃以上時(shí)，溫度與步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)的關(guān)系如下：

其中y代表步進(jìn)電機(jī)從原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的拍數(shù)，t代表當(dāng)前溫度值（單位為℃）。

溫度和時(shí)間是主要檢測(cè)量，只要其中滿足一個(gè)條件即開(kāi)啟增氧泵，而光敏電阻代表次要的檢測(cè)量，當(dāng)處于時(shí)鐘處于白天，但所在地溫度不足時(shí)，也可以干預(yù)步進(jìn)電機(jī)的工作，給系統(tǒng)以參考。

步進(jìn)電機(jī)是本次控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在控制時(shí)需要連接A、B、C、D根相線，通過(guò)改變相線上的控制電平控制步進(jìn)電機(jī)按相序旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。當(dāng)A相連接P1.3，B相連接P1.2，C相連接P1.1，D相連接P1.0時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的相序表如表1所示：

只要將相序表的數(shù)據(jù)依次送P1口，就可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)按需要旋轉(zhuǎn)特定角度。

系統(tǒng)的主流程圖如圖2所示。

在系統(tǒng)初始化中，主要完成外部時(shí)鐘、溫度傳感器和內(nèi)部ADC的初始化。其中在完成DS18B20初始化時(shí)，由于傳感器需要一個(gè)加熱時(shí)間來(lái)進(jìn)入正常工況，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可以適當(dāng)增加延時(shí)約1分鐘以供預(yù)熱，同時(shí)舍棄前30-50組信號(hào)以確保數(shù)值的可信度?？紤]到溫度是一個(gè)變化相當(dāng)緩慢，具有較大滯后性的物理量，為降低處理器工作負(fù)荷和節(jié)約能源，可以適當(dāng)延長(zhǎng)采樣周期，比如按5分鐘的間隔讀取溫度值。每次讀取時(shí)需要連續(xù)讀取10次，然后采用算術(shù)平均濾波法計(jì)算出當(dāng)前溫度以供環(huán)境狀態(tài)分析函數(shù)分析。當(dāng)滿足增氧泵開(kāi)啟條件后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)溫度信息自動(dòng)計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并指揮步進(jìn)電機(jī)工作到位，確保增氧泵以一定的出氣量水平工作。為確保系統(tǒng)可靠性，還可以在程序設(shè)計(jì)中使用軟件定時(shí)器（“看門(mén)狗”），定時(shí)時(shí)間可設(shè)置為最大允許值，同時(shí)在主函數(shù)和定時(shí)器函數(shù)中嵌入冗余代碼和軟件陷阱，形成嵌套式監(jiān)測(cè)，確保系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期、安全、可靠運(yùn)行。

4 總結(jié)與改進(jìn)

水族箱增氧泵加入了智能控制系統(tǒng)后，可與智能水族箱形成一個(gè)更為完整的網(wǎng)絡(luò)，可以將水族箱環(huán)境因子控制更加精細(xì)化，同時(shí)具有節(jié)能、降噪等效果。如用戶(hù)資金充裕且水族箱控制要求較高時(shí)，還可以在系統(tǒng)中增加溶氧量檢測(cè)傳感器。這樣可以將原系統(tǒng)從開(kāi)環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)系統(tǒng);也可以將觀賞魚(yú)養(yǎng)殖方面的經(jīng)驗(yàn)利用模糊控制或者專(zhuān)家系統(tǒng)方式進(jìn)行提煉和代碼化，這些措施均可進(jìn)一步提高溶氧量控制精度，提高控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力。類(lèi)似的設(shè)計(jì)對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模珍貴魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖也有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]何鵬，王堯，胡純純，等.基于Wi-Fi技術(shù)的水族箱自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技視界，2019（24）：33-35.

[2]王科峰.水產(chǎn)養(yǎng)殖中葉輪式增氧泵智能控制及報(bào)警電路解決方案[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017（9）：65-66.

[3]單慧勇，于鎵，田云臣，等.集成傳感器清潔功能的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016（7）：1825-1826.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】