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基于模糊控制与物联网的智慧水族箱系统设计

范文

袁铭李浩光臧可欣贺奕铭张淑娜杨漫

摘要：针对市场售卖水族箱缺乏智能控制，需人工干预，养殖成活率低等问题，设计一种基于模糊控制算法与物联网技术的智慧水族箱系统，以单片机为控制核心，使用多种传感器实时检测水族箱状态，通过模糊控制算法实现水温、水质、光照量等状态量的闭环调节，根据水族箱状态自动换水与投食，开发android应用，并通过物联网技术，实现对水族箱实时远程监控，保证鱼类优质生态环境，该系统设计对于提升智能家居的应用水平具有重要意义。

Abstract： Aiming at the problems of lack of intelligent control， manual intervention and low survival rate of aquarium aquarium in market， an intelligent aquarium system based on fuzzy control algorithm and Internet of Things technology is designed. With single-chip computer as the control core， the aquarium state is detected in real time by a variety of sensors. The closed-loop regulation of water temperature， water quality and light quantity is realized by fuzzy control algorithm. According to the status of aquarium， water and food are changed automatically， Android application is developed， and real-time remote monitoring of aquarium is realized through the Internet of Things technology to ensure the high quality ecological environment of fish. The design of the system is of great significance to improve the application level of smart home.

关键词：单片机;android;模糊控制算法;物联网技术;智慧水族箱

Key words： microcontroller;android;fuzzy control algorithm;IoT Technology;intelligent aquarium system

中图分类号：TP273.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2019）17-0247-05

0? 引言

在当今物联网时代的大背景之下，物联网技术正以难以想象的迅猛速度发展，移动网络也已深深植入我们日常生活。如今，促进我国物联网发展的政策、产业环境以及支撑其运行的网络基础设施在不断完善发展，物联网发展已拥有了良好的基础和良好的发展氛围，物联网技术的应用也正不断走进我们的日常生活。Android作为一种开源操作系统，主要应用于移动设备，如智能手机和平板电脑，因为它表现出的良好性能和开放性优势，不仅使其受到了越来越多的用户欢迎，而且在生活与工业自动化系统中也发挥着重要作用。

随着人们生活水平的不断提高，养殖观赏鱼逐渐成为人们愉悦身心、陶冶情操的选择。由于人们不能時刻了解控制水族箱的生态环境，便需要鱼缸控制系统来帮助人们更加方便有效的控制水族箱的生态环境。通过研究鱼缸的控制系统，使该系统自动调节鱼缸的水温、水质、液位、光照以及水里的含氧量等状态量，从而营造出鱼类所需的优质环境。

本系统设计一种基于模糊控制算法与物联网技术的智慧水族箱，来解决传统水族箱缺乏智能控制，需人工干预，养殖成活率低等问题。该系统是以单片机为控制核心，使用多种传感器实时检测水族箱状态，通过模糊控制算法实现水温、水质、光照量等状态量的闭环调节和水族箱状态自动换水与投食;开发android应用，并通过物联网技术，实现水族箱实时远程监控，保证鱼类优质生态环境，该系统设计对于提升智能家居的应用水平具有重要意义。

1? 系统功能

本系统设计为基于模糊控制与物联网技术的智慧水族箱，以单片机为控制核心，通过模糊控制算法实现对水族箱的各状态量的闭环调节，并开发Android应用，通过物联网技术实现智能手机终端APP对水族箱的远程监控。通过系统运行主要实现以下功能：

①设计完成基于模糊控制与物联网的智慧水族箱系统，以单片机为控制核心，实时检测温度、含氧量、水质、光照等水族箱状态量;

②通过模糊控制算法实现水族箱水温、水质、光照量、含氧量等状态量的闭环调节，并根据水族箱实时状态，进行自动换水与投食;

③开发Android系统应用，并通过物联网技术，实现手机对水族箱系统远程监视控制，构建一个能保证鱼类优质生态环境的远程智能监控系统。

2? 智慧水族箱系统硬件结构设计

由图1可知，本系统主要由智慧水族箱控制系统现场设备、物联网WIFI模块和手机APP远程控制终端三部分组成。水族箱控制部分由系统控制中心Arduino和温度控制模块、氧气控制模块、水位控制模块、光照强度控制模块、水体质量控制模块、自动投食控制模块以及自动换水控制共七大模块组成。本系统运用了物联网技术，其中Arduino控制电路与WIFI芯片进行串口通信组成通信模块，通过WIFI芯片使Arduino控制电路与android应用端互联通信，实现手机终端对水族箱系统的含氧量、光照强度、液位高度、水质、水温等状态参量的远程监控，通过模糊控制算法对各状态量进行闭环调节，并对水族箱进行定时自动换水和投食，控制电路可以自行完成各状态参量的信息采集、处理及存储功能，也可接收从手机终端APP传来的控制参数设置，启动增温降温、水泵、加氧泵、光照灯等调控设备，从而按不同的控制要求调节水族箱的状态环境。最终实现手机终端对水族箱状态信息的实时远程监视与控制。

3? Arduino单片机控制系统参数

3.1 单片机控制电路

该系统中控制中心使用的是一个能够用来感应和控制现实物理世界的Arduino 单片机，作为系统的微型控制器。它自带一个Arduino IDE开发编译平台。可以通过USB口或者直流电源座给Arduino供电。Arduino 带有自动切换电源功能，使用USB供电时，直接输出USB提供的5V电压;使用外部电源供电时，输出稳压后的5V电压。它的最大输出能力为50 mA，可用于输出8-bit PWM波。Arduino有6个模拟输入引脚，可使用analog Read（）读取模拟值，14个数字输出输入引脚。每个模拟输入都有10位分辨率，自带AD转换功能而且时钟速度可达16MHz，处理器为Atmel Atmega168 328处理器，可以完全满足系统各项功能设计的基本要求。

3.2 单片机控制系统参数

如图2为系统控制器的控制流程，本系统的控制中心为Arduino开源器件，系统运行时Arduino对系统中的水温、水位、含氧量等狀态参量进行初始化，单片机通过不断扫描检测各传感器模块传回来的数据，并将数据传输到现场显示屏上，通过WIFI模块单片机可将数据传输到智能手机终端APP上。同时单片机将检测值与初始值进行比较，若检测值不在期望值允许的范围内，单片机将通过模糊控制算法控制启动补偿装置，对系统进行补偿优化。手机终端APP也可以对单片机远程给定控制参数和控制指令。该控制系统能够实现对状态参量的采集、处理、显示和自动控制的闭环调节。为了实现系统的自动控制，在硬件电路的基础上进行软件设计，主要包括单片机主程序、各模块检测和控制的子程序、定时自动投食换水子程序、参数显示子程序和单片机与WIFI模块通信协议程序等。

3.3 液位传感器

非接触式液位传感器是一种利用水的感应电容来检测的液位传感器，在没有液体接近感应器时，感应器上会存在一个初始自带的静态电容量，当液面慢慢升高接近感应器时，由于液体升高产生的电容与静态电容进行耦合，使感应器的最终电容值变大，该变化的电容信号通过信号转换后，将变化的电容量转换成电压或电流等电信号的变化量，再根据一定的算法来检测和判断这个变化量的程度，当这个变化量超过设定值时，非接触式液位传感器就会产生一个输出，并发出报警信号。

3.4 温度传感器

PT100是一种正温度系数的热敏电阻温度传感器，随着温度的升高，电阻的阻值变大，并且它的线性度很好。当温度升高时PT100内的电阻阻值变大，电阻两端的电压变大，输出电压变大。PT100模拟温度传感器采集的温度信息传给PT100温度变送器输出0-5V或者0-10V的电压值。

3.5 继电器工作原理

本系统中使用的继电器是电磁继电器，继电器的作用本质是用一个小电流回路去控制另外一个大电流回路的通断，而且这个控制过程中，这两个回路一般是隔离起来的，它的基本原理，是利用了电磁效应来控制机械触点达到通断目的，给带有铁芯线圈通电后线圈电流会产生一个磁场，磁场吸附衔铁动作通断触点，控制大电流回路的通断。继电器有常开触点和常闭出点。使用常开触点时，当单片机给一个小电流信号时，常开触点吸合，使用常闭触点时，当单片机给一个小电流信号时，常闭触点断开，这样我们就实现了在系统中用单片机控制大功率器件的目标。我们可根据控制需求选择常开或常闭触点。

3.6 系统受控模块

系统受控模块的硬件由单片机Arduino开发板和电源控制电路构成，起到WIFI作用的node MCU使用串口通信与Arduino连接。具体原理是通过预先设定的目标参数，通过比较预先设定的目标参数与实际测量值决定是否启动加热棒、加氧泵及水泵等，或直接决定是否开关控制他们的电源。按照指令，单片机通过控制继电器的吸合，进而控制这些元器件的电源开断，此过程的指令既可以手动控制，也可以使用智能手机终端远程发送指令控制。

4? 模糊控制

4.1 模糊控制系统的基本组成和工作原理

模糊控制理论，以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础，它为一种计算机数字控制技术。其实质是一种非线性控制，他需要系统化的理论与实际的人类专家的应用经验相结合，图3为模糊控制系统结构图，其结构主要由模糊控制器、被控对象、反馈信号三部分组成，它是闭环控制。

模糊控制系统中最主要的是模糊控制器，模糊控制器是由模糊化接口、规则库、模糊推理、去模糊化接口四部分组成。当产生的精确值偏差e传输到模糊控制器时，通过模糊化、模糊推理计算、去模糊化后模糊控制器输出一个精确值控制量u，进而实现对被控对象的控制。

4.2 水温模糊控制系统原理分析

本系统中的水温控制是根据模糊控制算法规则对模糊对象进行闭环智能自动控制，其主要功能包括对水温的采集、显示，以及实时的检测传输。并通过物联网系统实现对水温升降的闭环自动控制，使之一直维持在期望值左右。当我们给定系统一个期望值时，温度采集模块将采用水温传感器PT100对水温进行实时检测，输出温度模拟量。传感器与单片机相连，单片机通过A/D转换，将温度模拟量转化为数字量。水族箱温度由温度传感器检测采集，传送给单片机经模糊控制系统的模糊控制算法计算出控制系统的控制输出量，经D/A转换后，转化为模拟量，控制驱动加热棒或电热丝的开断，从而确定电热丝或加热棒的工作时长。以控制水族箱水温在给定最佳温度范围。

4.3 液位模糊推理系统设计

在MATLAB环境中构建一个液位模糊推理系统，在MATLAB命令窗口中输入操作命令，可以进入模糊推理结构编辑窗口，编辑输入输出模糊结构。将输入变量命名为液位误差e误差变化ec，将输出变量命名为阀门开关速度u。这样就建立了一个两输入单输出的模糊推理系统。

4.4 设计模糊化模块

设置液位误差论域为[-1 1]，误差变化的论域为[-0.1 0.1];两个输入量的模糊集都设定为5个：其中水位误差定为NB、NS、ZO、PS、PB;并分别设置他们的参数域范围。

误差变化分别设置为大、偏大、合适、偏小、小，并设置他们的参数，隶属函数均为高斯函数，如图7。

设阀门开关速度论域为[0 1]，分为快开、慢开、不动、慢关、快关，并分别设定他们的参数范围，它们隶属函数都为三角函数，如图8。

4.5 编辑液位模糊控制规则

打开Edit Rules窗口，弹出Rule编译器，把表中的17条规则输入到Rule编译器中，17条规则的权重都为1，如图9。

5? 智慧水族箱系统数据传输模块设计

5.1 nodeMCU

Node MCU是一个开源的物联网开发平台，它的开发环境有两种，lua和arduino IDE。在结构有一个高度集成多功能的USB串口，通过USB串口的接入省去了使用其他转串口模块来开发编程的不便。另外它自带有一个3.3V的电压转换调节器，因此它可以被3.3V以上的电压电源驱动运行，从外观上看他一共有30个可以用于连接控制元器件的引脚，其中有13个GPIO引脚，除了GPIO16引脚只能完成读写功能以外，其他的引腳都可以进行中断、PWM、I2C等功能，因为其有如此多的引脚及齐全的功能，又因为它自带WIFI模块，为系统提供WIFI通信模块，所以它在系统设计上应用非常方便。

5.2 系统通信原理

本系统数据传输模块基于开源的node MCU 开发板作为通信系统的核心部件。它是一个开源的物联网平台。Node MCU包含了可以运行在ESP8266 Wi-Fi SoC芯片之上的固件，以及基于ESP-12模组的硬件。利用蓝牙和物联网等传输和管理数据，以智能手机作为远程控制终端，对系统各控制量进行实时远程控制。单片机与Node MCU的连接为串口通信，智能手机终端APP通过连接Node MCU Wi-Fi模块发出的热点，远程控制单片机，并远程给定系统参数和控制指令。

6? 智能手机终端APP开发

本系统的远程控制终端在App Inventor上开发。在App Inventor中可以完成智能手机终端APP虚拟操作界面开发编程，Android开发编程用提供的代码块通过积木式的堆叠法来完成，而不是使用复杂嵌套的程序代码，这样开发既方便又快捷。在创建新的项目中，通过添加按钮、文本输入框、标签、复选框等布局组件来完成系统界面的设计;通过添加供客户调用的Socket插件和web客户端;在代码逻辑中设各个按钮的功能，通过调用Socket或web客户端插件的代码块实现功能，从而实现和Node MCU的网络通信，进而控制水族箱的各种参数。将构建的APP安装在智能手机上，便可实时的查看水族箱的数据，并远程控制开关。

7? 总结

该设计的智慧水族箱系统，基于模糊控制算法和物联网技术，以单片机为控制核心，使用Arduino IDE编写控制程序，系统采用开放性很强的android应用，使用开源Arduino作为控制中心，借用高集成的NodeMCU 作为WIFI通信模块，应用物联网技术，设计出了一套低功耗、实时性好、高智能化的远程无线智能控制系统。解决了传统水族箱缺乏智能控制，需人工干预，养殖成活率低等问题。实现对水族箱实时远程监视与控制，保证鱼类优质生态环境，该系统的设计研究对于提升智能家居的应用水平具有重要意义。此设计的创新点在于应用模糊控制算法和物联网技术，开发android应用。实践表明，此系统具有设计合理，经济环保，易于安装，方便智能等优点。随着社会的进一步发展，对于智能家居这些功能要求可能还远远不够，还需要改进和添加一些更为经济和更为复杂的要求实现，这需要在以后的学习和工作中进一步研究和实践。

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作者简介：袁铭（1998-），男，山东临沂人，学生，本科在读，自动化专业。

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