【正文】 自主設(shè)計了成本低，操作簡單，節(jié)能環(huán)保的智能魚缸控制系統(tǒng)。 本智能魚缸控制系統(tǒng)以 STC研發(fā)生產(chǎn)的 STC12C5A60S2 單片機為控制CPU，同時結(jié)合傳感器技術(shù)、藍(lán)牙通訊技術(shù)、手機APP，研發(fā)出一套可以用于不同類型水族箱和各種使用環(huán)境的集自動充氧、自動換水、燈光變幻、自動喂食、溫度監(jiān)控等各種功能于一體的智能魚缸控制系統(tǒng)。2 開發(fā)技術(shù)與原理簡介嵌入式系統(tǒng)被定義為:以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)，對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等4個部分組成，它是集軟硬件于一體的可獨立工作的“器件”。嵌入式系統(tǒng)是一種面向應(yīng)用、功能定制、資源受限、響應(yīng)要求高、性能穩(wěn)定、無自舉開發(fā)能力，由硬件和軟件兩部分構(gòu)成的專用計算機系統(tǒng)。“嵌入性”、“專用性”與“計算機系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素，應(yīng)用對象系統(tǒng)指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)的前沿技術(shù)，是新技術(shù)革命和信息社會的重要技術(shù)基礎(chǔ)。在現(xiàn)代生活和科學(xué)研究中，各種類型的傳感器所提供的大量可靠、準(zhǔn)確的信息，不僅能代替人的五官功能，而且還能檢測到人的五官所不能感受的信息，從而使人類能更好地認(rèn)識世界和改造世界。目前，傳感器技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航天等尖端技術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)、農(nóng)業(yè)等人類日常生活許多方面。傳感器在工業(yè)部門的應(yīng)用普及率已被國際社會作為衡量一個國家智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的重要標(biāo)志。因此，傳感器技術(shù)作為一種與現(xiàn)代科學(xué)密切相關(guān)的新興學(xué)科正得到迅速的發(fā)展，并且在許多領(lǐng)域被越來越廣泛的利用。 Android技術(shù) Android智能手機平臺概述Android是Google公司在2008年聯(lián)合開放手持設(shè)備聯(lián)盟（OHA）推出的基于Linux內(nèi)核的智能移動設(shè)備操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于掌上便攜設(shè)備，如智能手機和平板電腦等。Android平臺為移動設(shè)備提供了有Linux操作系統(tǒng)、中間層、UI（用戶界面）和應(yīng)用程序共同組合的軟件平臺。 Android手機平臺的特點開放性：源代碼開發(fā)可以修改無需授權(quán)。自由性：擺脫運營商的束縛讓手機能自由接觸網(wǎng)絡(luò)。兼容性：與硬件無關(guān)，降低了開發(fā)者的負(fù)擔(dān)。拓展性：可以兼容各種手機、平板電腦等移動設(shè)備。 Android系統(tǒng)軟件架構(gòu)安卓系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要有五層，從下到上依次是：Linux內(nèi)核層、本地庫、安卓運行時、應(yīng)用框架層、應(yīng)用程序?qū)?。?Android系統(tǒng)架構(gòu)圖3 需求分析該智能魚缸控制系統(tǒng)是以魚缸的日常護理為背景，系統(tǒng)集成開發(fā)的角度對水循環(huán)、水溫監(jiān)控、水含氧量、魚飼料量自動化及其應(yīng)用控制進行設(shè)計和開發(fā)，根據(jù)當(dāng)前市場上的需求，并且利用高新技術(shù)形成了一套集自動水循環(huán)、燈光變幻、自動充氧和自動喂食等功能為一體的智能魚缸控制系統(tǒng)。1．功能。采用單片機控制，實現(xiàn)水族箱自動換水、自動喂食、溫度狀態(tài)顯示、自動加氧、燈光變幻等功能。 2．人機界面。本系統(tǒng)的人機操作界面采用手機APP端顯示屏，具有直觀、簡介、易操作等多重特點。用戶可直接從手機顯示屏讀取系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)。 3．系統(tǒng)操作。本系統(tǒng)通過上位機手機APP來設(shè)置各種參數(shù)，用戶可以根據(jù)觀賞魚的實際生活習(xí)性來設(shè)定適宜小魚生活的參數(shù)，使該智能魚缸控制系統(tǒng)能在各種不同的環(huán)境適中發(fā)揮作用。魚缸下位機與手機上位機之間的配合使用使本系統(tǒng)具有簡易的操作性。 4．生產(chǎn)成本：本系統(tǒng)使用的控制CPU是STC12C5A60S2單片機，該款單片機價格低廉，其外圍電路設(shè)備包括：藍(lán)牙模塊、溫度傳感器、時鐘模塊、Led燈帶、電機等，這些外圍成本低廉、加工簡單，具有很強的可生產(chǎn)性。，對智能魚缸的業(yè)務(wù)流程進行分析。業(yè)務(wù)流程：用戶通過手動操作手機端，與智能魚缸系統(tǒng)進行人機交互。用戶通過手機端以藍(lán)牙通信的方式將需要執(zhí)行的命令以及參數(shù)傳輸給魚缸端。魚缸端接受到用戶發(fā)送的命令以及參數(shù)執(zhí)行對應(yīng)的操作如喂食、換水等。魚缸端將檢測到的溫度值傳送給手機端，手機端將溫度值顯示在屏幕上，以便用戶獲取溫度值。 智能魚缸業(yè)務(wù)流程圖根據(jù)智能魚缸系統(tǒng)的功能需求，對其進行用例分析。 客戶端用戶用例圖，主要用例有：客戶端用戶、換水、喂食、充氧、變換燈光、監(jiān)控溫度、檢測溫度、顯示溫度、設(shè)置時間。 客戶端用戶用例圖用例規(guī)約（1）換水用例（UC01） 用例名稱：換水 簡要說明：給魚缸進行水體循環(huán)。 事件流：基本事件流①打開水泵②抽出、抽入水體進行水體循環(huán)擴展事件流無 前置條件：無 后置條件：設(shè)置時間自動進行水循環(huán)（2）喂食用例（UC02） 用例名稱：喂食 簡要說明：把魚飼料倒入魚缸進行喂食。 事件流：基本事件流①打開喂食器②倒入魚飼料擴展事件流①容器中無飼料，人工添加進入容器。 前置條件：無 后置條件：設(shè)置時間，自動喂食（3）充氧用例（UC03） 用例名稱：充氧 簡要說明：給魚缸中水體充氧，提高水的含氧量。 事件流：基本事件流①打開氣泵②給水體充氧擴展事件流 無 前置條件：無 后置條件：設(shè)置時間，自動充氧（4）燈光變幻用例（UC04） 用例名稱：燈光變換 簡要說明：打開LED彩燈，提高魚缸的觀賞性。 事件流：基本事件流①打開LED②燈帶跑馬燈閃爍擴展事件流無 前置條件： 后置條件：無（5）檢測溫度用例（UC05） 用例名稱：檢測溫度 簡要說明：檢測魚缸的溫度。 事件流：基本事件流①打開溫度傳感器②檢測魚缸的溫度擴展事件流無 前置條件：無 后置條件：無（6）設(shè)置時間用例（UC06） 用例名稱：設(shè)置時間 簡要說明：設(shè)置時間，智能魚缸系統(tǒng)到時自動進行相關(guān)操作。 事件流：基本事件流 設(shè)置時間，發(fā)送相關(guān)命令擴展事件流無 前置條件：喂食、換水、充氧 后置條件：無（7）顯示溫度用例（UC07） 用例名稱：顯示溫度 簡要說明：把檢測到的溫度顯示到手機客戶端。 事件流：基本事件流①獲取溫度值②顯示溫度值擴展事件流 無 前置條件：檢測溫度 后置條件：無（8）監(jiān)控溫度用例（UC08）1）用例名稱：充氧2）簡要說明：檢測溫度值，并把溫度值顯示在手機客戶端。3）事件流：基本事件流①打開溫度傳感器②獲取溫度值③顯示溫度值擴展事件流 無 前置條件：檢測溫度 后置條件：顯示溫度 開發(fā)工具 底層硬件電路開發(fā)工具本系統(tǒng)需要設(shè)計硬件電路原理圖（SCH），能滿足設(shè)計要求的工具很多，比如：Protel、Altium Designer、PowerPCB等。在本設(shè)計中，采用Altium Designer14繪制原理圖。該工具擁有大量的原理圖庫和印刷電路板（PCB）庫，也可以自己繪制原理圖庫和印刷電路板（PCB）庫，還能自動生成pdf文檔，使用起來很方便。本系統(tǒng)采用51內(nèi)核單片機最常用的Keil uVision5軟件，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。上海中穎公司也提供了一套Keil軟件的開發(fā)驅(qū)動，只要SH79F6488單片機的JTAG調(diào)試接口配以Keil軟件的Debug功能就能實現(xiàn)系統(tǒng)的在線仿真。 Android客戶端開發(fā)工具Android客戶端開發(fā)工具很多，比較常用的有：Eclipse、Android Studio、Basic4Android等。本系統(tǒng)中使用Android Studio。該軟件具有很強大的代碼提示功能和UI設(shè)計功能，有利于開發(fā)者開發(fā)速度和減小開發(fā)者上手難度。能夠成功開發(fā)Android，還需在windows下配置好Java開發(fā)環(huán)境以及安裝Android SDK。4 概要設(shè)計 智能魚缸系統(tǒng)分為下位機硬件模塊和手機安卓軟件模塊這兩大部分。其中硬件模塊主要功能為控制魚缸相關(guān)操作以及上報溫度功能，軟件模塊則為向下位機發(fā)送命令以及參數(shù)，顯示溫度值。硬件模塊與軟件模塊通信使用藍(lán)牙串口方式，簡單快捷。：該智能魚缸控制系統(tǒng)的設(shè)計是在對當(dāng)前市面上已有的不同類型的魚缸控制設(shè)備充分考察和調(diào)研的前提下進行的。整個智能魚缸控制系統(tǒng)分為以下幾個功能子系統(tǒng)：即人工／定時充氧系統(tǒng)、人工／定時水循環(huán)系統(tǒng)、LED燈光變幻系統(tǒng)、人工／定時喂食控制、實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)的工作相互獨立，但是每個子系統(tǒng)又由單片機控制，該智能魚缸控制系統(tǒng)還結(jié)合了時鐘電路模塊／看門狗／復(fù)位電路，便于系統(tǒng)的自動控制，各子系統(tǒng)的功能參數(shù)的設(shè)置與藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸電路相連接，通過藍(lán)牙模塊與手機控制端進行通信，手機端也通過藍(lán)牙模塊發(fā)送相關(guān)的控制命令以及參數(shù)給下位機，上位機手機端與下位機智能魚缸共同組成了一套功能完善的智能控制系統(tǒng)。該智能魚缸控制系統(tǒng)的控制目的是能使魚缸能夠通過人工調(diào)節(jié)或者自動調(diào)節(jié)的方式來保證魚缸的水質(zhì)、含氧量等生活環(huán)境是最適宜觀賞魚生活習(xí)性的。設(shè)計本系統(tǒng)時需要考慮的環(huán)境參數(shù)有：溫度，水中含氧量，水的質(zhì)量，led燈光，魚的飼料等參數(shù)。下表41顯示該控制系統(tǒng)對各項參數(shù)的處理。表41系統(tǒng)控制參數(shù)項目控制參數(shù)相應(yīng)的處理措施1水溫溫度傳感器獲取溫度值，并將其通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C端顯示2水溶氧量根據(jù)人工控制或者定時自動控制氣泵充氧3水質(zhì)根據(jù)人工控制或者定時自動控制水泵進行水循環(huán)4燈光根據(jù)人工控制打開LED燈帶，提高魚缸觀賞性5魚飼料根據(jù)人工控制或者定時自動控制喂食器喂食該智能魚缸控制系統(tǒng)包含六個模塊，分別為單片機核心控制模塊、溫度傳感器、藍(lán)牙模塊、時鐘控制模塊、led燈帶、電機。單片機核心控制模塊以STC12C5A60S2單片機為核心CPU控制協(xié)調(diào)其他模塊協(xié)同工作；溫度傳感器負(fù)責(zé)溫度的檢測以及獲取具體的溫度值；藍(lán)牙模塊負(fù)責(zé)上位機與下位機之間的通訊；時鐘控制模塊負(fù)責(zé)提供智能魚缸控制系統(tǒng)的時鐘參數(shù)；led燈帶則使魚缸更具觀賞性；不同的電機負(fù)責(zé)不同的功能主要有氣泵、水泵、喂食器。該智能魚缸控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4．2所示。 硬件結(jié)構(gòu)圖其中控制部分包括：中心控制模塊：主要以CPU核心，包括晶振，復(fù)位電路等。該模塊的主要功能是將單片機各個引腳的信號以及通過綠色能源模塊接收到的命令及其參數(shù)進行運算處理，然后發(fā)出各種控制信號。各種控制信號對應(yīng)的相關(guān)操作通過驅(qū)動硬件完成，如打開氣泵進行充氧操作等?？撮T狗電路負(fù)責(zé)系統(tǒng)工作過程的監(jiān)測，復(fù)位模塊使系統(tǒng)工作時發(fā)生異常情況的復(fù)位重啟。其中輸入輸出部分包括：：將溫度傳感器檢測到的溫度數(shù)據(jù)傳輸給單片機；該溫度傳感器模塊完成數(shù)據(jù)的采集功能，主要由傳感器，放大器，A／D轉(zhuǎn)換