Arduino下智慧濕地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

1、Arduino下智慧濕地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析 摘要：濕地是全球三大生態(tài)系統(tǒng)之一，在人類生活中發(fā)揮著極其重要的作用。為保護(hù)濕地生態(tài)環(huán)境，文中設(shè)計(jì)一款基于Arduino與云平臺(tái)的智慧濕地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)交融嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等多種技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濕地狀態(tài)，將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET平臺(tái)后通過(guò)API接口對(duì)接私有平臺(tái)，并在私有平臺(tái)上進(jìn)展設(shè)備的管理與開(kāi)發(fā)。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能。關(guān)鍵詞：智慧濕地；Arduino；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)傳輸；云平臺(tái)；物聯(lián)網(wǎng)0引言濕地作為地球不可或缺的生態(tài)環(huán)境之一【1】，是生態(tài)系統(tǒng)中的重要一環(huán)，在保護(hù)地球環(huán)境與推進(jìn)可持續(xù)開(kāi)展過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、

2、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)迅速崛起，推動(dòng)了信息化時(shí)代的開(kāi)展，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了更加有效的方法。而目前濕地的監(jiān)測(cè)方法較為單一，且大多使用基于有人云平臺(tái)的單個(gè)設(shè)備，相對(duì)自由度較少【2】。為降低用戶使用難度與開(kāi)發(fā)本錢，進(jìn)步自由度，本文設(shè)計(jì)了基于Arduino的智慧濕地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)【3】。系統(tǒng)以Arduinomega2560單片機(jī)【4】為主體，可通過(guò)傳感器將采集的信息傳輸?shù)絆neNET及私有平臺(tái)；支持多協(xié)議、多設(shè)備、多地域接入，具有良好的開(kāi)發(fā)性。1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)智慧濕地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將Arduinomega2560單片機(jī)作為主控模塊，將傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)ESP8266無(wú)線模塊傳送至OneNET

3、平臺(tái)，再經(jīng)HTTP協(xié)議傳輸至私有平臺(tái)。智慧濕地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架如圖1所示。智慧濕地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備、主控模塊、通信網(wǎng)絡(luò)、云平臺(tái)組成。1.1環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備。該設(shè)備由溫濕度傳感器、酸堿度傳感器、蜂鳴器、LCD顯示模塊等組成。其中，傳感器用于采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送至單片機(jī)中【5】。1.2主控模塊。本系統(tǒng)使用開(kāi)源硬件作為核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的信息收發(fā)、集中、存儲(chǔ)、分析，在執(zhí)行控制傳感器指令的同時(shí)可完成部分運(yùn)算功能。1.3通信網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)展處理后，采用RS485通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET平臺(tái)，并通過(guò)HTTP協(xié)議發(fā)送到獨(dú)立平臺(tái)進(jìn)展設(shè)備管理和開(kāi)發(fā)。1.4云平臺(tái)。

4、使用挪動(dòng)OneNET云平臺(tái)及私有平臺(tái)在云端進(jìn)展位置顯示、數(shù)據(jù)分析，以及信息日志的調(diào)用、報(bào)警消息處理等，具有一定的獨(dú)立性【6】。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。2.1Arduinomega2560。Arduinomega2560是基于微控制器板的開(kāi)源硬件，它具有54個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳，16個(gè)模擬輸入，4個(gè)UART，1個(gè)16MHz晶體振蕩器和1個(gè)重置按鈕。Arduinomega2560包含有支持微控制器所需的全部配件。智慧濕地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳感器模塊等連接至單片機(jī)后，可將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)顯示，之后通過(guò)返回的控制信號(hào)控制相應(yīng)的傳感器及模塊。2.2溫濕度傳感器。DHT11是由電阻式感濕元

5、件和NTC測(cè)溫元件組成的數(shù)字溫濕度傳感器，它具有本錢低、性能穩(wěn)定、反響靈敏、信號(hào)傳輸間隔 長(zhǎng)、精準(zhǔn)校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。此外，它在Arduino庫(kù)中的信息較為完善，調(diào)用方便，無(wú)需手動(dòng)解析，便于修改【7】。2.3土壤酸堿度傳感器智慧濕地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所用的土壤酸堿度檢測(cè)傳感器為RS485接口，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)在線監(jiān)測(cè)；采用的4探針傳感器靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、功耗低、測(cè)量面積廣、操作簡(jiǎn)單，插入土中即可使用。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的剖面酸堿度檢測(cè)，可將該傳感器布置在不同深度進(jìn)展檢測(cè)。2.4蜂鳴器報(bào)警模塊。蜂鳴器常被作為電子儀器中的發(fā)聲裝置，智慧濕地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用有源蜂鳴器。系統(tǒng)利用I/O口定時(shí)翻轉(zhuǎn)電平

6、驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，通過(guò)改變方波的頻率及信號(hào)占空比實(shí)現(xiàn)不同的效果。2.5LCD顯示模塊。和LED智慧濕地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用LCD1602顯示模塊，可實(shí)時(shí)顯示經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)，通過(guò)與云平臺(tái)數(shù)據(jù)的比照判斷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。發(fā)光二極管LED是電路及儀器中常用的電子器件，它是一種半導(dǎo)體固體器件，能將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，可通過(guò)LED的亮滅判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)。2.6ESP8266無(wú)線模塊。智慧濕地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的ESP8266無(wú)線模塊是一款低功耗、高集成度的WiFi芯片。它擁有完好且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)功能，既可以獨(dú)立應(yīng)用，也可作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行。該模塊集成了天線開(kāi)關(guān)、射頻balun、功率放大器、低噪聲放大

7、器、濾波器和電源管理模塊，可應(yīng)用到基于微控制器的設(shè)計(jì)中。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)Arduinomega2560具有54路數(shù)字輸入/輸出口，4路串口，4路UART接口，15路模擬輸入，1個(gè)16MHz晶體振蕩器，1個(gè)ICSPheader。Arduinomega2560能兼容為ArduinoUNO設(shè)計(jì)的擴(kuò)展板，使用方便，可用作本系統(tǒng)的中心處理器。在系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)展各模塊的初始化，初始化無(wú)誤后通過(guò)串口發(fā)送指令控制ESP8266WiFi模塊進(jìn)展相關(guān)操作。開(kāi)機(jī)后，WiFi模塊自動(dòng)搜索匹配程序的名稱及密碼連接網(wǎng)絡(luò)，連接成功后由中國(guó)挪動(dòng)OneNET進(jìn)展終端接入，并通過(guò)API接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿接衅脚_(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展可視化處理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。4系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果預(yù)先設(shè)定熱點(diǎn)及密碼，將單片機(jī)與PC端相連。翻開(kāi) 熱點(diǎn)，當(dāng)WiFi模塊連接成功后，可在OneNET平臺(tái)上查看預(yù)先編輯好的設(shè)備型號(hào)及位置。翻開(kāi)云平臺(tái)上的實(shí)時(shí)刷新按鈕，可監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)接收的數(shù)據(jù)。之后通過(guò)HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿接衅脚_(tái)，即可進(jìn)展設(shè)備管理，報(bào)警信息的接收處理及數(shù)據(jù)歷史日志的查看、調(diào)用、分析等。位置及設(shè)備信息顯示界面如圖4所示，數(shù)據(jù)接收界面如圖5所示，歷史查看及調(diào)用界面如圖6所示。5結(jié)語(yǔ)根