基于WiFi技術的水族箱自動控制系統設計

何鵬 王堯 胡純純 陳舒琳 丁嘉

【摘 要】作者采用WiFi技術設計了一套以STC 15系列單片機為核心的多機集中控制水族箱系統。通過自定通信協議，系統可以實現分機與主機之間的信息交換，主機可以設定不同時間來控制分機的定時喂食、過濾和換水時間等，分機采用不同傳感器每隔一定時間會將各環境參數發送到主機，主機會根據預設參數范圍發出不同控制命令指揮相應分機執行加熱、換水和過濾等操作。

【關鍵詞】WiFi技術;智能水族箱;自動控制;通信;參數檢測

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

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.017

0 引言

隨著我國經濟的發展和人們生活水平不斷完善，人們的生活品味越來越高[1]，與之相關的居家裝飾行業迎來了新一輪的發展空間。由于城市經濟發展速度比農村快，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，于是他們內心十分渴望身處在寧靜與和諧的環境中，而一個蒼翠欲滴、生機盎然的魚草水族箱可以給人一種寬松舒適的美感，還能調節居室環境。與此同時，當代都市生活節奏越來越快，人們很少有時間來打理水族箱，本設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能夠對水族箱多種參數實施檢測，并根據預先算法及時啟動調節裝置，使得水族箱的環境維持在一個較高的水平，降低使用者的負擔。

1 硬件電路設計

1.1 系統設計

本系統主要由一臺主機和兩臺分機組成，以STC15W4K32S4單片機作為控制器，具有溫度、水位和含氧量控制、自動喂食和照明等功能[2]，系統結構框圖如圖1所示。

該系統主機含水族箱環境參數設置、顯示及系統時間設定、顯示和發出控制命令等功能，主要由時鐘、按鍵、顯示、無線數據傳輸等模塊組成。時鐘模塊為整個智能水族箱控制系統提供了基準時間，通過按鍵模塊可以調整系統當前時間和設置定時時間、環境參數上限值和下限值。主機的微處理器能對分機所發環境參數與設定上下限值進行比較，并發出不同控制命令指揮相應分機執行加熱、換水、過濾等操作。

分機采用不同傳感器每隔一定時間會將各環境參數發送到主機，接收并執行主機所發的命令，在分機系統中，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、無線數據傳輸等模塊。

1.2 單元電路設計

1.2.1 A/D 轉換電路

TLC2543是12位模數轉換器，單片機可以通過該芯片將電壓模擬量轉化為數字量。

1.2.2 DS18B20溫度傳感器電路

DS18B20是數字溫度傳感器，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2cm～4.5m的非接觸測距功能，并自帶對測距結果進行校正的溫度傳感器。

1.2.4 DS12C887時鐘模塊

DS12C887是一款純數字式芯片，能夠自動產生世紀、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，具有體積小，功耗低，超薄輕巧等優點[4]。

1.2.6 WiFi無線數據通信模塊

WiFi模塊能將串口和TTL電平轉換為無線信號，然后通過天線發射出去，具有傳輸距離遠、傳輸數據穩定、傳輸速度快的特點。

2 軟件系統設計

2.1 自定通信協議

（1）所有分機設備均處于地址接收狀態。

（2）主機先發送一地址幀，該地址幀具有8位（本設計共有兩臺分機設備地址分別設為20，21）。所有分機都接收該幀的地址信息，然后將收到地址與本機地址相比較，若相同，則標志位fag1=0，再將本機地址發回主機，接著接收后續發來信息并繼續執行程序;否則fag1=1，繼續等待地址幀的出現。

（3）分機的溫度值、水位值、含氧量值均有3位數字組成，需要把這些數據拆分成位、十位、百位后再進行傳輸。

（4）主機發送命令值為10、11、12時，分別將獲取分機設備中數據的百位、十位、個位。

（5）主機先發送與其通信從機的地址，等待其中一臺從機發回應答，若應答正確，則發送命令（30表示主機接收從機所發的數據，31表示從機接收主機所發出的數據）。

（6）主機發出地址或命令后，會等待一段時間，若在該段時間內分機有信號發回，則繼續執行程序;否則主機將再次發送該地址信息。

（7）主機發送命令50、51、52，分別代表與分機進行水溫、水位值、含氧量值的傳輸。

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

2.2 主機軟件程序

如圖2，該系統上電后先進行初始化，然后選擇與主機進行通信的分機，分機將各環境參數向主機傳遞，相關數據經過一系列算法，主機設備端相應控制命令會傳輸到分機設備端。隨后當前系統時間會在液晶上顯示出來，最后根據不同的按鍵及按鍵的次數進入相應界面。

2.3 分機軟件程序

如圖3所示，本設計中分機可作為一個獨立系統，分機系統上電時，系統先初始化，然后開始檢測溫度值、水位值、含氧量值等參數。該系統通過串口中斷隨時接受主機所發數據信息，與主機建立通信關系，最終從機驅動相應執行器。

2.4 算法

2.4.1 快速選擇法

在對過濾機和投食機的開啟時間等多個預設時間值進行排序時，采用快速選擇法進行先后排序。在本系統中這些預設值的大小并不確定，而在單片機中需要先確定大小，再找出比當前系統時間略晚的時間，最后將該時間值送入定時系統中，這樣才能保證系統正常運行。

2.4.2 模糊控制法

在溫度調節過程中，系統存在很大的滯后性和強烈的外在干擾，而模糊控制法能有效地解決這些問題，從而提高系統的控制精度和自適應能力。

2.4.3 中位值濾波法

在A/D轉換時需進行數字濾波，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有良好的濾波效果。

3 系統測試

表2的數據是利用本文所述系統測試所得，由此可知實測溫度值與基準值誤差在±0.5℃以內，實測水位值和基準值誤差在2%左右，均符合設計指標。

4 總結

該系統以15系列單片機為核心，利用WiFi技術實現水族箱的自動控制，實現自動投食、放水、照明等功能。物聯網和微控制技術的興起，為改善人民日常生活提供了很大幫助，希望以此系統為例，為今后物聯網技術，WiFi技術的發展奠定一定的基礎。

【參考文獻】

[1]丁慧中.觀賞魚缸智能控制系統的設計[D].蘇州大學，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的設計與實現[J].智能計算機與應用，2015，5（2）：98-100.

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

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