基于WiFi技术的水族箱自动控制系统设计

何鹏 王尧 胡纯纯 陈舒琳 丁嘉

【摘 要】作者采用WiFi技术设计了一套以STC 15系列单片机为核心的多机集中控制水族箱系统。通过自定通信协议，系统可以实现分机与主机之间的信息交换，主机可以设定不同时间来控制分机的定时喂食、过滤和换水时间等，分机采用不同传感器每隔一定时间会将各环境参数发送到主机，主机会根据预设参数范围发出不同控制命令指挥相应分机执行加热、换水和过滤等操作。

【关键词】WiFi技术;智能水族箱;自动控制;通信;参数检测

中图分类号： TP273.5文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）24-0033-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.017

0 引言

随着我国经济的发展和人们生活水平不断完善，人们的生活品味越来越高[1]，与之相关的居家装饰行业迎来了新一轮的发展空间。由于城市经济发展速度比农村快，越来越多的年轻人选择在繁华的都市里生活和工作，这里充满了竞争，因此他们需要承受更多的压力，于是他们内心十分渴望身处在宁静与和谐的环境中，而一个苍翠欲滴、生机盎然的鱼草水族箱可以给人一种宽松舒适的美感，还能调节居室环境。与此同时，当代都市生活节奏越来越快，人们很少有时间来打理水族箱，本设计为这些问题提供了解决方法。

智能水族箱通过其自带的控制系统能够对水族箱多种参数实施检测，并根据预先算法及时启动调节装置，使得水族箱的环境维持在一个较高的水平，降低使用者的负担。

1 硬件电路设计

1.1 系统设计

本系统主要由一台主机和两台分机组成，以STC15W4K32S4单片机作为控制器，具有温度、水位和含氧量控制、自动喂食和照明等功能[2]，系统结构框图如图1所示。

该系统主机含水族箱环境参数设置、显示及系统时间设定、显示和发出控制命令等功能，主要由时钟、按键、显示、无线数据传输等模块组成。时钟模块为整个智能水族箱控制系统提供了基准时间，通过按键模块可以调整系统当前时间和设置定时时间、环境参数上限值和下限值。主机的微处理器能对分机所发环境参数与设定上下限值进行比较，并发出不同控制命令指挥相应分机执行加热、换水、过滤等操作。

分机采用不同传感器每隔一定时间会将各环境参数发送到主机，接收并执行主机所发的命令，在分机系统中，主要有温度传感器、含氧量传感器、超声波测距、自动投食、增氧、过滤、照明、换水、无线数据传输等模块。

1.2 单元电路设计

1.2.1 A/D 转换电路

TLC2543是12位模数转换器，单片机可以通过该芯片将电压模拟量转化为数字量。

1.2.2 DS18B20温度传感器电路

DS18B20是数字温度传感器，采用不锈钢外壳封装，测量范围广、精度高[3]。

1.2.3 超声波测距模块

US-100超声波测距模块可实现2cm～4.5m的非接触测距功能，并自带对测距结果进行校正的温度传感器。

1.2.4 DS12C887时钟模块

DS12C887是一款纯数字式芯片，能够自动产生世纪、年、月、星期、日、时、分、秒等时间信息。

1.2.5 液晶12684显示模块

LCD12864可以在液晶屏幕上显示参数，具有体积小，功耗低，超薄轻巧等优点[4]。

1.2.6 WiFi无线数据通信模块

WiFi模块能将串口和TTL电平转换为无线信号，然后通过天线发射出去，具有传输距离远、传输数据稳定、传输速度快的特点。

2 软件系统设计

2.1 自定通信协议

（1）所有分机设备均处于地址接收状态。

（2）主机先发送一地址帧，该地址帧具有8位（本设计共有两台分机设备地址分别设为20，21）。所有分机都接收该帧的地址信息，然后将收到地址与本机地址相比较，若相同，则标志位fag1=0，再将本机地址发回主机，接着接收后续发来信息并继续执行程序;否则fag1=1，继续等待地址帧的出现。

（3）分机的温度值、水位值、含氧量值均有3位数字组成，需要把这些数据拆分成位、十位、百位后再进行传输。

（4）主机发送命令值为10、11、12时，分别将获取分机设备中数据的百位、十位、个位。

（5）主机先发送与其通信从机的地址，等待其中一台从机发回应答，若应答正确，则发送命令（30表示主机接收从机所发的数据，31表示从机接收主机所发出的数据）。

（6）主机发出地址或命令后，会等待一段时间，若在该段时间内分机有信号发回，则继续执行程序;否则主机将再次发送该地址信息。

（7）主机发送命令50、51、52，分别代表与分机进行水温、水位值、含氧量值的传输。

（8）启动或停止分机设备端的照明灯、喂食机、过滤器、加热器，制冷机、增氧机出水阀门和进水阀门的命令如表1所示。

2.2 主机软件程序

如图2，该系统上电后先进行初始化，然后选择与主机进行通信的分机，分机将各环境参数向主机传递，相关数据经过一系列算法，主机设备端相应控制命令会传输到分机设备端。随后当前系统时间会在液晶上显示出来，最后根据不同的按键及按键的次数进入相应界面。

2.3 分机软件程序

如图3所示，本设计中分机可作为一个独立系统，分机系统上电时，系统先初始化，然后开始检测温度值、水位值、含氧量值等参数。该系统通过串口中断随时接受主机所发数据信息，与主机建立通信关系，最终从机驱动相应执行器。

2.4 算法

2.4.1 快速选择法

在对过滤机和投食机的开启时间等多个预设时间值进行排序时，采用快速选择法进行先后排序。在本系统中这些预设值的大小并不确定，而在单片机中需要先确定大小，再找出比当前系统时间略晚的时间，最后将该时间值送入定时系统中，这样才能保证系统正常运行。

2.4.2 模糊控制法

在溫度调节过程中，系统存在很大的滞后性和强烈的外在干扰，而模糊控制法能有效地解决这些问题，从而提高系统的控制精度和自适应能力。

2.4.3 中位值滤波法

在A/D转换时需进行数字滤波，这里采用“中位值滤波法”。它能有效克服偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。

3 系统测试

表2的数据是利用本文所述系统测试所得，由此可知实测温度值与基准值误差在±0.5℃以内，实测水位值和基准值误差在2%左右，均符合设计指标。

4 总结

该系统以15系列单片机为核心，利用WiFi技术实现水族箱的自动控制，实现自动投食、放水、照明等功能。物联网和微控制技术的兴起，为改善人民日常生活提供了很大帮助，希望以此系统为例，为今后物联网技术，WiFi技术的发展奠定一定的基础。

【参考文献】

[1]丁慧中.观赏鱼缸智能控制系统的设计[D].苏州大学，2007.10.

[2]刘大川，李钊合，孙淑杰，袁驰，张志佳.水族箱智能控制系统的设计与实现[J].智能计算机与应用，2015，5（2）：98-100.

[3]张军.智能温度传感器DS18B20及其应用[J].仪表技术，2010（4）：68-70.

[4]李玉海，高建明，王雷.基于单片机控制的液晶显示电路[J].科技信息，2010（33）：16.