【正文】 自主設(shè)計(jì)了成本低，操作簡(jiǎn)單，節(jié)能環(huán)保的智能魚(yú)缸控制系統(tǒng)。 本智能魚(yú)缸控制系統(tǒng)以 STC研發(fā)生產(chǎn)的 STC12C5A60S2 單片機(jī)為控制CPU，同時(shí)結(jié)合傳感器技術(shù)、藍(lán)牙通訊技術(shù)、手機(jī)APP，研發(fā)出一套可以用于不同類(lèi)型水族箱和各種使用環(huán)境的集自動(dòng)充氧、自動(dòng)換水、燈光變幻、自動(dòng)喂食、溫度監(jiān)控等各種功能于一體的智能魚(yú)缸控制系統(tǒng)。2 開(kāi)發(fā)技術(shù)與原理簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)被定義為:以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)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(gè)部分組成，它是集軟硬件于一體的可獨(dú)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(wú)自舉開(kāi)發(fā)能力，由硬件和軟件兩部分構(gòu)成的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！扒度胄浴?、“專(zhuān)用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素，應(yīng)用對(duì)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(huì)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(lèi)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(cè)到人的五官所不能感受的信息，從而使人類(lèi)能更好地認(rèn)識(shí)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(lèi)日常生活許多方面。傳感器在工業(yè)部門(mén)的應(yīng)用普及率已被國(guó)際社會(huì)作為衡量一個(gè)國(guó)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(lái)越廣泛的利用。 Android技術(shù) Android智能手機(jī)平臺(tái)概述Android是Google公司在2008年聯(lián)合開(kāi)放手持設(shè)備聯(lián)盟（OHA）推出的基于Linux內(nèi)核的智能移動(dòng)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(jī)和平板電腦等。Android平臺(tái)為移動(dòng)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(tái)。 Android手機(jī)平臺(tái)的特點(diǎn)開(kāi)放性：源代碼開(kāi)發(fā)可以修改無(wú)需授權(quán)。自由性：擺脫運(yùn)營(yíng)商的束縛讓手機(jī)能自由接觸網(wǎng)絡(luò)。兼容性：與硬件無(wú)關(guān)，降低了開(kāi)發(fā)者的負(fù)擔(dān)。拓展性：可以兼容各種手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)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(kù)、安卓運(yùn)行時(shí)、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(yú)缸控制系統(tǒng)是以魚(yú)缸的日常護(hù)理為背景，系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)的角度對(duì)水循環(huán)、水溫監(jiān)控、水含氧量、魚(yú)飼料量自動(dòng)化及其應(yīng)用控制進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)上的需求，并且利用高新技術(shù)形成了一套集自動(dòng)水循環(huán)、燈光變幻、自動(dòng)充氧和自動(dòng)喂食等功能為一體的智能魚(yú)缸控制系統(tǒng)。1．功能。采用單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)水族箱自動(dòng)換水、自動(dòng)喂食、溫度狀態(tài)顯示、自動(dòng)加氧、燈光變幻等功能。 2．人機(jī)界面。本系統(tǒng)的人機(jī)操作界面采用手機(jī)APP端顯示屏，具有直觀、簡(jiǎn)介、易操作等多重特點(diǎn)。用戶可直接從手機(jī)顯示屏讀取系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 3．系統(tǒng)操作。本系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)手機(jī)APP來(lái)設(shè)置各種參數(shù)，用戶可以根據(jù)觀賞魚(yú)的實(shí)際生活習(xí)性來(lái)設(shè)定適宜小魚(yú)生活的參數(shù)，使該智能魚(yú)缸控制系統(tǒng)能在各種不同的環(huán)境適中發(fā)揮作用。魚(yú)缸下位機(jī)與手機(jī)上位機(jī)之間的配合使用使本系統(tǒng)具有簡(jiǎn)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(jī)，該款單片機(jī)價(jià)格低廉，其外圍電路設(shè)備包括：藍(lán)牙模塊、溫度傳感器、時(shí)鐘模塊、Led燈帶、電機(jī)等，這些外圍成本低廉、加工簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的可生產(chǎn)性。，對(duì)智能魚(yú)缸的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分析。業(yè)務(wù)流程：用戶通過(guò)手動(dòng)操作手機(jī)端，與智能魚(yú)缸系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互。用戶通過(guò)手機(jī)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(yú)缸端。魚(yú)缸端接受到用戶發(fā)送的命令以及參數(shù)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作如喂食、換水等。魚(yú)缸端將檢測(cè)到的溫度值傳送給手機(jī)端，手機(jī)端將溫度值顯示在屏幕上，以便用戶獲取溫度值。 智能魚(yú)缸業(yè)務(wù)流程圖根據(jù)智能魚(yú)缸系統(tǒng)的功能需求，對(duì)其進(jìn)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(cè)溫度、顯示溫度、設(shè)置時(shí)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(jiǎn)要說(shuō)明：給魚(yú)缸進(jìn)行水體循環(huán)。 事件流：基本事件流①打開(kāi)水泵②抽出、抽入水體進(jìn)行水體循環(huán)擴(kuò)展事件流無(wú) 前置條件：無(wú) 后置條件：設(shè)置時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行水循環(huán)（2）喂食用例（UC02） 用例名稱：喂食 簡(jiǎn)要說(shuō)明：把魚(yú)飼料倒入魚(yú)缸進(jìn)行喂食。 事件流：基本事件流①打開(kāi)喂食器②倒入魚(yú)飼料擴(kuò)展事件流①容器中無(wú)飼料，人工添加進(jìn)入容器。 前置條件：無(wú) 后置條件：設(shè)置時(shí)間，自動(dòng)喂食（3）充氧用例（UC03） 用例名稱：充氧 簡(jiǎn)要說(shuō)明：給魚(yú)缸中水體充氧，提高水的含氧量。 事件流：基本事件流①打開(kāi)氣泵②給水體充氧擴(kuò)展事件流 無(wú) 前置條件：無(wú) 后置條件：設(shè)置時(shí)間，自動(dòng)充氧（4）燈光變幻用例（UC04） 用例名稱：燈光變換 簡(jiǎn)要說(shuō)明：打開(kāi)LED彩燈，提高魚(yú)缸的觀賞性。 事件流：基本事件流①打開(kāi)LED②燈帶跑馬燈閃爍擴(kuò)展事件流無(wú) 前置條件： 后置條件：無(wú)（5）檢測(cè)溫度用例（UC05） 用例名稱：檢測(cè)溫度 簡(jiǎn)要說(shuō)明：檢測(cè)魚(yú)缸的溫度。 事件流：基本事件流①打開(kāi)溫度傳感器②檢測(cè)魚(yú)缸的溫度擴(kuò)展事件流無(wú) 前置條件：無(wú) 后置條件：無(wú)（6）設(shè)置時(shí)間用例（UC06） 用例名稱：設(shè)置時(shí)間 簡(jiǎn)要說(shuō)明：設(shè)置時(shí)間，智能魚(yú)缸系統(tǒng)到時(shí)自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)操作。 事件流：基本事件流 設(shè)置時(shí)間，發(fā)送相關(guān)命令擴(kuò)展事件流無(wú) 前置條件：喂食、換水、充氧 后置條件：無(wú)（7）顯示溫度用例（UC07） 用例名稱：顯示溫度 簡(jiǎn)要說(shuō)明：把檢測(cè)到的溫度顯示到手機(jī)客戶端。 事件流：基本事件流①獲取溫度值②顯示溫度值擴(kuò)展事件流 無(wú) 前置條件：檢測(cè)溫度 后置條件：無(wú)（8）監(jiān)控溫度用例（UC08）1）用例名稱：充氧2）簡(jiǎn)要說(shuō)明：檢測(cè)溫度值，并把溫度值顯示在手機(jī)客戶端。3）事件流：基本事件流①打開(kāi)溫度傳感器②獲取溫度值③顯示溫度值擴(kuò)展事件流 無(wú) 前置條件：檢測(cè)溫度 后置條件：顯示溫度 開(kāi)發(fā)工具 底層硬件電路開(kāi)發(fā)工具本系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)硬件電路原理圖（SCH），能滿足設(shè)計(jì)要求的工具很多，比如：Protel、Altium Designer、PowerPCB等。在本設(shè)計(jì)中，采用Altium Designer14繪制原理圖。該工具擁有大量的原理圖庫(kù)和印刷電路板（PCB）庫(kù)，也可以自己繪制原理圖庫(kù)和印刷電路板（PCB）庫(kù)，還能自動(dòng)生成pdf文檔，使用起來(lái)很方便。本系統(tǒng)采用51內(nèi)核單片機(jī)最常用的Keil uVision5軟件，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)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(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)，只要SH79F6488單片機(jī)的JTAG調(diào)試接口配以Keil軟件的Debug功能就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線仿真。 Android客戶端開(kāi)發(fā)工具Android客戶端開(kāi)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(qiáng)大的代碼提示功能和UI設(shè)計(jì)功能，有利于開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)速度和減小開(kāi)發(fā)者上手難度。能夠成功開(kāi)發(fā)Android，還需在windows下配置好Java開(kāi)發(fā)環(huán)境以及安裝Android SDK。4 概要設(shè)計(jì) 智能魚(yú)缸系統(tǒng)分為下位機(jī)硬件模塊和手機(jī)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(yú)缸相關(guān)操作以及上報(bào)溫度功能，軟件模塊則為向下位機(jī)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(jiǎn)單快捷。：該智能魚(yú)缸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在對(duì)當(dāng)前市面上已有的不同類(lèi)型的魚(yú)缸控制設(shè)備充分考察和調(diào)研的前提下進(jìn)行的。整個(gè)智能魚(yú)缸控制系統(tǒng)分為以下幾個(gè)功能子系統(tǒng)：即人工／定時(shí)充氧系統(tǒng)、人工／定時(shí)水循環(huán)系統(tǒng)、LED燈光變幻系統(tǒng)、人工／定時(shí)喂食控制、實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)的工作相互獨(dú)立，但是每個(gè)子系統(tǒng)又由單片機(jī)控制，該智能魚(yú)缸控制系統(tǒng)還結(jié)合了時(shí)鐘電路模塊／看門(mén)狗／復(fù)位電路，便于系統(tǒng)的自動(dòng)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(guò)藍(lán)牙模塊與手機(jī)控制端進(jìn)行通信，手機(jī)端也通過(guò)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(jī)，上位機(jī)手機(jī)端與下位機(jī)智能魚(yú)缸共同組成了一套功能完善的智能控制系統(tǒng)。該智能魚(yú)缸控制系統(tǒng)的控制目的是能使魚(yú)缸能夠通過(guò)人工調(diào)節(jié)或者自動(dòng)調(diào)節(jié)的方式來(lái)保證魚(yú)缸的水質(zhì)、含氧量等生活環(huán)境是最適宜觀賞魚(yú)生活習(xí)性的。設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)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(yú)的飼料等參數(shù)。下表41顯示該控制系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的處理。表41系統(tǒng)控制參數(shù)項(xiàng)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(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)端顯示2水溶氧量根據(jù)人工控制或者定時(shí)自動(dòng)控制氣泵充氧3水質(zhì)根據(jù)人工控制或者定時(shí)自動(dòng)控制水泵進(jìn)行水循環(huán)4燈光根據(jù)人工控制打開(kāi)LED燈帶，提高魚(yú)缸觀賞性5魚(yú)飼料根據(jù)人工控制或者定時(shí)自動(dòng)控制喂食器喂食該智能魚(yú)缸控制系統(tǒng)包含六個(gè)模塊，分別為單片機(jī)核心控制模塊、溫度傳感器、藍(lán)牙模塊、時(shí)鐘控制模塊、led燈帶、電機(jī)。單片機(jī)核心控制模塊以STC12C5A60S2單片機(jī)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(cè)以及獲取具體的溫度值；藍(lán)牙模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊；時(shí)鐘控制模塊負(fù)責(zé)提供智能魚(yú)缸控制系統(tǒng)的時(shí)鐘參數(shù)；led燈帶則使魚(yú)缸更具觀賞性；不同的電機(jī)負(fù)責(zé)不同的功能主要有氣泵、水泵、喂食器。該智能魚(yú)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(jī)各個(gè)引腳的信號(hào)以及通過(guò)綠色能源模塊接收到的命令及其參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后發(fā)出各種控制信號(hào)。各種控制信號(hào)對(duì)應(yīng)的相關(guān)操作通過(guò)驅(qū)動(dòng)硬件完成，如打開(kāi)氣泵進(jìn)行充氧操作等?？撮T(mén)狗電路負(fù)責(zé)系統(tǒng)工作過(guò)程的監(jiān)測(cè)，復(fù)位模塊使系統(tǒng)工作時(shí)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(cè)到的溫度數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)；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