無線通信魚缸遠(yuǎn)程實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

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摘要：基于實現(xiàn)全自動遠(yuǎn)程控制的魚缸的目的，采用了無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和嵌入式技術(shù)結(jié)合的方法，研究了一種無線通信技術(shù)的魚缸遠(yuǎn)程實時控制系統(tǒng)。通過運(yùn)行測試，得出了該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和實用性，能夠?qū)︳~缸歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，并顯示實時觀測數(shù)據(jù)，且超出設(shè)定極限值時可以進(jìn)行預(yù)警提示。

關(guān)鍵詞：無線通信；嵌入式；遠(yuǎn)程控制

1引言

隨著社會的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，觀賞魚缸等之類的工藝品逐漸進(jìn)入了家庭。更廣泛出現(xiàn)在家庭、賓館、飯店及會議室等人群聚集的場所?！棒~缸”又被稱為“水族箱”，這一詞起源于英國，沿用至今已超過了150年。隨著科技水平的進(jìn)步，人們欣賞水平和種植水平的提高，水族箱已不僅僅被認(rèn)為是一個簡單的容器了，而是一個相對完備的生態(tài)系統(tǒng)。但是由于大多數(shù)人對水族箱微型生態(tài)系統(tǒng)不夠了解，缺乏養(yǎng)護(hù)技能，最后造成“草枯魚亡”。不同的魚對水環(huán)境的要求各不相同，比如熱帶海水魚則要求魚缸水溫保持在25℃~27℃左右，且晝夜溫差不能超過4℃~5℃；普通金魚水溫在23℃~26℃。同一類魚在繁殖期水溫要高一些。目前市場上出現(xiàn)了許多控制魚缸水溫、排水、充氧和照明的產(chǎn)品，但大多是非智能化的單一功能的系統(tǒng)［1~5］。目前全球水族行業(yè)規(guī)模的年增長率達(dá)到15.6%，歐美、日本等國家家庭擁有率超過30%，我國尚不足1%，但我國每年各類大小魚缸的銷量就達(dá)上百億元，國內(nèi)市場的潛力巨大。目前市場上的魚缸相對控制設(shè)備簡單單一。所以本文設(shè)計一款魚缸間歇充氧、恒溫控制、自動水循環(huán)控制器、自動喂食器和燈光自動控制器等控制功能于一體的控制系統(tǒng)。本設(shè)計以STM32位核心控制器，結(jié)合無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程實時監(jiān)控魚缸水環(huán)境［6~7］。

2系統(tǒng)總體設(shè)計及功能分析

本系統(tǒng)由環(huán)境參數(shù)采集模塊和控制模塊組成。其中，環(huán)境參數(shù)采集模塊主要負(fù)責(zé)魚缸內(nèi)水溫、水位、水濁度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的采集工作，為系統(tǒng)的智能控制提供參考依據(jù)。同時系統(tǒng)周期性地讀取傳感器數(shù)據(jù)，為用戶展示實時數(shù)據(jù)信息和環(huán)境動態(tài)信息。智能控制模塊通過分析環(huán)境參數(shù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，判斷是否給魚缸啟動換水、控溫、照明、喂食等功能。該系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。當(dāng)魚缸環(huán)境參數(shù)發(fā)生異常，該系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)以及發(fā)出預(yù)警，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)功能。用戶可通過網(wǎng)絡(luò)登錄智能生態(tài)魚缸管理系統(tǒng)，查看歷史數(shù)據(jù)，并且通過Web提供了各種便捷的信息管理服務(wù)［8~10］。本文設(shè)計了一款以嵌入式芯片STM32F103ZET6為核心控制器的魚缸遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，運(yùn)用傳感器技術(shù)，通過溫度傳感器、水位傳感器，光強(qiáng)度檢測、水質(zhì)PH值檢測傳感器，攝像頭模塊，對魚缸環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時采集，對魚缸生態(tài)系統(tǒng)的實時監(jiān)測，系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)的能力，根據(jù)生態(tài)狀況，對魚缸進(jìn)行氣泵、水泵是否開啟、加熱器是否關(guān)閉等相關(guān)操作。用戶借助手機(jī)終端可以實時的獲取魚缸的相關(guān)參數(shù)，并以此判斷魚缸當(dāng)前的物理環(huán)境狀況，實現(xiàn)對魚缸的遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。該系統(tǒng)實現(xiàn)了人們可以利用互聯(lián)網(wǎng)實時地觀看魚的生活情況［11~12］。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

本次設(shè)計的主控芯片采用STM32的ARM微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3。STM32與51單片機(jī)芯片相比較，STM32一次處理數(shù)據(jù)寬度32位，處理數(shù)據(jù)能力是51單片機(jī)的4倍；STM32內(nèi)部RAM和ROM都遠(yuǎn)大于51單片機(jī)；STM32性能穩(wěn)定，不會出現(xiàn)因內(nèi)部問題而造成的輸出不穩(wěn)定。該系統(tǒng)采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控芯片，主要由水位控制模塊、水溫控制模塊、照明控制模塊、攝像頭模塊、、Wi-Fi通信模塊、喂食控制模塊、加氧模塊、水泵控制模塊、水質(zhì)PH值檢測模塊和電源模塊組成。如圖2所示。

3.1水位控制模塊

在實際生活中，魚缸水量蒸發(fā)，水位下降。該系統(tǒng)采用的水位傳感器有五個點(diǎn)：最下端點(diǎn)1為基準(zhǔn)點(diǎn)，點(diǎn)2、3、4、5等距離分布，此五個端點(diǎn)發(fā)出的頻率各不相同。設(shè)端點(diǎn)1為液位下限，當(dāng)液位到達(dá)下限時開啟水泵，自動加水；設(shè)端點(diǎn)5為液位上限，當(dāng)液位達(dá)到上限時斷開供水泵電路停止加水。該五個端點(diǎn)分別通過五根導(dǎo)線接入控制面板中，再通過控制面板的信號線、電源正極和電源負(fù)極三根線連接到控制器，把魚缸水位控制在上限水位與下限水位之間，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離控制水位。

3.2水溫控制模塊

水溫控制模塊采用DS18B20溫度傳感器芯片，芯片防止短路，防水防潮，防生銹，每個探頭經(jīng)過嚴(yán)格測試，3.0V~5.0V供電，測量精度±0.5℃，感溫范圍-55℃~125℃，抗干擾性好。封裝后的DS18B20可用于高爐水循環(huán)測溫，機(jī)房測溫和農(nóng)業(yè)大棚測溫等各種非極限溫度場合。如圖3所示。適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。根據(jù)檢測溫度值是否在設(shè)定閾值范圍內(nèi)來控制加熱器的開啟和關(guān)閉。

3.3自動喂食模塊

本模塊主要實現(xiàn)主人不在家時自動投食的功能。該模塊通過控制減速電機(jī)轉(zhuǎn)動，完成自動喂食。控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動時間即可控制每次投食量。減速電機(jī)采用N20型直流電機(jī)，5V供電。3.4攝像頭模塊該系統(tǒng)采用OV2640作為攝像頭模塊，能滿足本系統(tǒng)的圖像傳輸能力，具有影像處理功能。且該模塊輸出JPEG格式的圖片，且圖片大小可調(diào)，占儲存空間較小。當(dāng)手機(jī)Wi-Fi打開后，連接控制器，通過點(diǎn)擊屏幕的“↑”，“↓”，“←”，“→”按鈕，給控制器發(fā)送指令通過舵機(jī)調(diào)整攝像頭的位置［13］。

3.5水質(zhì)PH值檢測模塊

PH傳感器模塊是可進(jìn)行二次開發(fā)的PH值計檢測傳感器模塊。該模塊具有連線簡單、方便實用等特點(diǎn)。傳感器的電極用來測量水溶液中的氫離子活度，即PH值，屬于PH計測量元件。該模塊通過檢測PH數(shù)值，進(jìn)行判斷是否開啟或關(guān)閉過濾器，給魚提供適合生長的酸堿性水環(huán)境［14］。

3.6照明控制模塊

本模塊主要包含了BH1750數(shù)字光強(qiáng)度傳感器。芯片內(nèi)部的光敏二極管接近人眼反應(yīng)，可檢測光強(qiáng)度范圍為0～65535lx。BH1750光強(qiáng)度數(shù)據(jù)的讀取應(yīng)遵循I2C總線協(xié)議［15］。

3.7Wi-Fi通信模塊

系統(tǒng)通過Wi-Fi模塊實現(xiàn)STM32與智能手機(jī)的連接，智能手機(jī)可以接收各傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，也可以控制調(diào)節(jié)魚缸內(nèi)各項參數(shù)值［16］。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能魚缸控制系統(tǒng)軟件程序包括主程序、水位檢測控制子程序、水溫檢測控制子程序、Wi-Fi通信程序、水質(zhì)檢測子程序、自動喂食控制子程序、照明控制子程序等。系統(tǒng)的工作流程為系統(tǒng)初始化，各項參數(shù)檢測［17~18］。圖4為系統(tǒng)主程序流程圖。Wi-Fi通信模塊經(jīng)無線路由器接入互聯(lián)網(wǎng)并連接服務(wù)器，繼而將水位、水溫、水質(zhì)等監(jiān)測參數(shù)信息傳入服務(wù)器中。移動終端設(shè)備的Android軟件可接收服務(wù)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，也可向服務(wù)器發(fā)送控制信息，實現(xiàn)每秒刷新一次數(shù)據(jù)信息。此外，Android軟件通過對水位、水溫設(shè)定預(yù)警值，通過彈出報警對話框?qū)崿F(xiàn)對用戶預(yù)警提示。該網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議為TCP協(xié)議，利用TCP通訊可以逐幀更新WEB中的圖片達(dá)到視頻效果。這樣就可以在世界各地控制我們的智能網(wǎng)絡(luò)魚缸了［19~23］。手機(jī)端APP包含有三大部分：Wi-Fi鏈接界面設(shè)計，定時任務(wù)界面設(shè)計，人工控制界面設(shè)計。用戶使用時，打開程序，會進(jìn)入Wi-Fi鏈接界面，該過程為整個軟件建立一個與ARM監(jiān)測器之間的通訊；Wi-Fi鏈接以后會自動進(jìn)入到人工控制界面，該界面包含溫度、水位、PH值的檢測等；通過Wi-Fi通信，手機(jī)用戶可以直接讀取魚缸監(jiān)測器的數(shù)據(jù)。

5系統(tǒng)功能測試

本系統(tǒng)主要是在智能手機(jī)終端上進(jìn)行測試。在手機(jī)終端可以查看歷史環(huán)境參數(shù)信息（例如水溫、水質(zhì)、水位、添加飼料等），可以設(shè)置喂食時間和魚缸自動換水，也可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的溫度自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，更有利于水中生物的生存。通過一段時間的測試，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對魚缸的溫度、液位以及是否喂魚等進(jìn)行控制，并能控制抽水機(jī)和過濾器的正常使用以及電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)了在線控制。測試表明，該系統(tǒng)具有較低的功耗，具有較高的安全性及可行性，可實現(xiàn)長時間的穩(wěn)定運(yùn)行。

6結(jié)語

本系統(tǒng)是一種基于無線通信技術(shù)的魚缸智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103ZET6為核心，給出軟硬件，進(jìn)行了模塊化的詳細(xì)設(shè)計方案，最終實現(xiàn)用戶對魚缸的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在長期的調(diào)試和運(yùn)行中，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較高的實用價值和市場推廣前景。

作者：肖軍 王琳 劉洲洲 單位：西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院