《基于单片机的人工造景物联网控制系统》-工学论文，计算机论文-论文范文参考-科学狗论文网

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基于单片机的人工造景物联网控制系统

范文

艾广心+李迅+周虹+王晨+杨晓宇+于家浩

摘要：该文提出了一种基于单片机的人工造景智能系统，该系统具备WEB访问单片机数据的功能，包括采集数据和各设备的运行状态信息等，模块化的设计也便于系统进行升级、维护以及移植。在保证造景缸中环境等稳定的同时，减少了人工干预和操作的过程，把饲养变成了单纯的观赏享受。本项目来源于智能化热带水族箱的设计与开发项目（2016年黑龙江省大学生创新创业省级项目，项目编号：201610222053），介绍了系统各组成部分的软硬件构成。

关键词：单片机；物联网；自动控制；人工造景

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）35-0266-03

Control System of Artificial Scene Based on Single Chip Microcomputer

AI Guang-xin， LI Xun， ZHOU Hong， WANG Chen，YANG Xiao-yu，YU Jia-hao

（Information and Electronic Technology Institute，Jiamusi University，Jiamusi 154000，China）

Abstract： This paper presents an intelligent system Based on single-chip microcomputer. The system has the functions of WEB access to the data of the single-chip microcomputer， including collecting data and running information of each device. The modular design also facilitates the system to upgrade， maintain and transplant. In the environment to ensure that the environment and other stable at the same time， reducing the manual intervention and operation of the process， the feeding into a simple ornamental enjoyment （2016 Heilongjiang provincial Undergraduate Training Programs for Innovation and Entrepreneurship ， 201610222053）. The project is derived from the design and development project of intelligent tropical aquarium， and introduces the hardware and software composition of each component of the system.

Key words： Microcontrollers； Internet of things； automatic control； artificial landscaping

1 项目功能简介

在本设计中实现的是一个物联网的人工造景控制系统，通过各个传感器采集缸（包括淡水缸、汽水缸、海水缸等可以作为草缸、龟缸等应用，我们这里以最简单的淡水草缸为例）内部的各项参数以及各项设备的运行状态，单片机作为处理器根据采集的数据对人工造景进行自动控制（例如实现自动投喂，定时打氧或通入二氧化碳，自动换水等），并通过网络将数据上传到服务器端数据庫，用户通过浏览器访问的形式随时随地对数据进行监控。

2 系统结构

整个系统由上位机、下位机、服务端数据网络以及客户端浏览器组成。51 单片机技术自发展以来已走过了近 20 年的发展路程。单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势，小到电子遥控玩具，大到航空航天技术等电子行业都有单片机应用的影子[1]。STC89C52单片机作为淡水草缸的逻辑控制处理芯片，与外围各个传感器（如温度传感器）以及各项执行机构（如加温开关继电器，定时投喂继电器等）共同组成淡水草缸的自动控制系统，该自动控制系统也组成了整体物联网系统的下位机。该下位机与一台上位机相连，在该项目中，单片机负责将数据定时传到指定USB端口，采用树莓派（微型计算机）作为该系统的上位机，在树莓派上构建JAVA环境，通过运行程序定时扫描与单片机连接的USB端口来获取实时数据[2]，该上位机通过连接显示器可作为第一个监控节点，在淡水草缸本地就即可作为终端展示淡水草缸中由单片机采集到的实时状态信息以及实时数据信息[3]。同时数据通过外部网络环境（Wifi环境或者实体网线）上传到服务端数据网络，存储在服务器（采用任何可联网的且拥有公网IP的服务器）数据库中，使用者可以使用任何可以访问网络的终端（手机、电脑、平板，甚至是kindle）对服务器上的数据进行监控，以便于及时发现问题，在特定网站上不受时间地域的限制监测淡水草缸中的情况[4]。淡水草缸数据网络示意简图如图1所示。

2.1 单片机采集控制系统

在日常运行过程中，单片机通过用户对温度上限以及温度下限的设定，实时读取温度传感器（ds18b20温度传感器）实现对加温棒开关继电器的开关设定，从而实现对淡水草缸内部整体温度的控制。用户还可以设定每次投喂的间隔时间（单位为小时），由单片机内部的定时器进行定时，并在规定的时间内开启自动投喂继电器开关，实现对自动投喂的智能控制。出于节能以及避免资源浪费考虑[5]，该系统还实现的间隔打氧功能，由用户设置打氧的间隔时间，以及每次打氧的持续时间（单位为分钟），而淡水草缸还涉及二氧化碳溶解度的问题，故添加了二氧化碳细化器，配合氧气泵共同作为缸内水生生物（包括生产者和消费者），同时，考虑到淡水草缸换水的问题，该系统[6]还设置了一键换水的功能，用户在安装的时候将入水口连接到水龙头上，出水孔连接到排放设备上，安装好后，用户只需要按下一个按钮，单片机将开启排水的电磁阀，将水位排放到最低水位线（最低、最高水位线由单片机检测），随后关闭排水电磁阀，开启入水电磁阀，将水位加至最高水位线，随后关闭入水电磁阀，至此，一次换水过程结束。整个系统各个部分既可以独立运行，也可以整体自动控制。当用户设置好各功能运行状态以及停启时间后，系统便会按照机器时间自动进行循环运行，该功能可以满足部分客户不能及时照料或疏于管理情况下的需求。系统结构图如图2所示，proteus部分仿真图如图3所示。

2.2 上位机

上位机使用任何可以联网的微电脑设备，PC、MAC、linux、甚至可以使用树莓派，所有的设备的操作大致相同，本文中提供的数据在左右设备中均适用，上位机通过WIFI模块相连或者通过USB与微处理器（MCU）直接连接，该项目中使用USB端口连接为例，JAVA程序上使用rxtxcomm.jar工具包实现串口信息读取，环境配置上在该上位机中构建JAVA环境，通过运行事先编译好的JAVA程序采集MCU发送到指定端口的数据，并在上位机将数据进行编码并将数据上传到服务器端数据库[7]。

附：链接数据库部分程序

2.3 数据库

在该项目中使用mysql作为数据存储软件，该数据库是一个关系型数据库软件，在数据表的设计上，由于发送到数据库的数据是经过编码的[8]，所以数据表的设计上只需要三列，第一列记录数据的id，即用来标识数据的唯一性，該列数据在每次插入时自动增加1，同时此id为该数据表的主键，方便以后数据的操作和整理，第二列用来记录数据产生的时间，让用户更加清晰的观测到当前的淡水草缸状态，第三列用来存放编码好的数据，是真正用来存储数据的列，通过该列的数据，我们能够读取到淡水草缸内的所有信息

附：数据库方面表结构

2.4 网页监控端

网页监控端，即用户查看淡水草缸信息时展示的网站，该网站存放在外网服务器中，既可以与数据库存放在同一个服务器也可以和数据库存放在不同的服务器，该网站服务端使用java语言编写，部分java程序如图4所示[9]，客户端使用html语言编写，网站前端使用bootstrap框架，以提高网站的观赏性，通过ajax技术实现页面的实时更新，以提高网站的实用性，使用JQuery作为js框架[10]，以提高开发的简易性，项目搭建上使用maven构建项目，通过pom文件对jar包进行管理，并使用springboot对整体项目进行部署，展示端模板框架使用thymeleaf，该框架可以实现前后端的开发完全分离，可脱离工程以html的格式进行渲染。

该网站的具体运行逻辑如下：用户根据事先设置好的网址或ip通过浏览器访问网站，浏览器从服务端下载客户端页面（html页面，js，css等数据），并向服务端发送ajax请求并获得请求返回的json数据，随后，客户端对该json数据进行解析，并构建出完整的html页面[11]，当我们定时的时间到了以后，用户浏览器重新发送AJAX请求并重新获取json字符串，随后清理当前页面已经过期的信息，重新通过js构建页面，这样我们就实现了页面的实时更新。

3 结束语

在本设计中，首次采用了树莓派作为上位机。在以往我们设计的自动控制系统中，例如多肉植物温室大棚自动控制系统项目开发过程中采用PC作为上位机，如果PC机只是单纯作为家用多肉大棚的上位机而言，价格略高，若是应用在多肉农场等大规模商业苗圃中，则采用工控机更为合适。而为了更加适用于家庭用户，也是考虑到价格和空间的问题，我们在本次开发中选择使用树莓派作为上位机，在一定程度上节省了产品的造价，同时也为用户提供了更加多样化的选择，也更加便于系统进行移植和维护。

参考文献：

[1] 陈丽霞.基于51单片机的综合开发板设计[J].科技经济市场，2011（8）：3.

[2] 肖洪兵. 跟我学用单片机[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3] 赵晓安.MCS-51单片机原理及应用[M].天津：天津大学出版社，2001.

[4] 李广第.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[5] 夏继强. 单片机实验与实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社， 2001.

[6] 陈志强胡辉. 单片机应用系统设计实践指南[M].自编教材

[7] Eric. Java编程思想[M]. 4版. 机械工业出版社， 2011.

[8] 杜波依斯. MySQL技术内幕[M].4版. 人民邮电出版社， 2011.

[9] Metsker S J. Java设计模式[M]. 2版. 电子工业出版社， 2012.

[10] 孙卫琴. Tomcat与Java Web开发技术详解[M]. 2版. 电子工业出版社， 2009.

[11] 刘京华. Java Web整合开发王者归来[M]. 清华大学出版社， 2010.

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