庫區(qū)環(huán)境信息智能化采集系統(tǒng)設(shè)計

曾 金，雷建云

(中南民族大學 計算機科學學院，湖北 武漢 430000)

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庫區(qū)環(huán)境信息智能化采集系統(tǒng)設(shè)計

曾 金，雷建云

(中南民族大學 計算機科學學院，湖北 武漢 430000)

近幾年三維水動力模型日漸成熟，通過獲取水庫區(qū)域的水力資源數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)可以實現(xiàn)對整個庫區(qū)系統(tǒng)的建模。數(shù)據(jù)信息采集技術(shù)隨著Arduino-Ethernet的出現(xiàn)，使數(shù)據(jù)從精準采集到可控化傳送成為可能。該系統(tǒng)在設(shè)計時充分考慮到所研究區(qū)域的實際環(huán)境，采用的傳感器均是兼容Arduino-Ethernet。數(shù)據(jù)采集之后可以通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從現(xiàn)場快速地傳送到實驗室數(shù)據(jù)庫中心，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可以應用于實際應用中。

Arduino-Ethernet；智能化；傳感器

0 引言

數(shù)據(jù)采集技術(shù)目前很成熟，但是在特定領(lǐng)域采集信息還是很有局限性。其中數(shù)據(jù)的傳送及安全性無法很好地保證，特別是數(shù)據(jù)采集器在很多領(lǐng)域均是單獨定制的，無法實現(xiàn)通用化、開源化，造成系統(tǒng)無法及時更換新的采集器以保證數(shù)據(jù)的真實性[1]。

本系統(tǒng)在設(shè)計時主要針對水體流域區(qū)域進行設(shè)計，同時需要考慮到實際應用的簡捷程度[2]。本文所研究庫區(qū)一般處于偏遠地區(qū)，現(xiàn)場實地檢測十分不便，故需要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳送。如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的真實有效性是本文需要考慮的重要問題。

1 系統(tǒng)總體邏輯設(shè)計

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)重點在于如何采集數(shù)據(jù)信息，再進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)可控化監(jiān)控整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化[3]。其中系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)在整體設(shè)計上采用多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中數(shù)據(jù)的采集是整個系統(tǒng)的重要部分。在實現(xiàn)過程中使用模塊化結(jié)構(gòu)，模塊化結(jié)構(gòu)便于系統(tǒng)進行二次開發(fā)升級[4]。系統(tǒng)在設(shè)計上綜合各種因素，以便于系統(tǒng)可以在不同環(huán)境條件下正常運行。

本系統(tǒng)采用Arduino-Ethernet為數(shù)據(jù)處理及采集的核心處理器。模型主要需要的數(shù)據(jù)是水的流速、風速、溫度、雨量，器材選擇采用流速、風速、溫濕度、雨量計量器傳感器[5]。系統(tǒng)在庫區(qū)設(shè)置多個監(jiān)測點，實現(xiàn)實時監(jiān)控整個研究區(qū)域的主要數(shù)據(jù)變化，同時采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時傳送到數(shù)據(jù)庫。研究人員只需要從遠程端口獲取需要的數(shù)據(jù)就可以進行深入的研究[6]。

2 硬件設(shè)計

2.1 傳感器簡介

風速傳感器：Arduino風速傳感器體積小，攜帶方便,其測量精度高，穩(wěn)定性好。在結(jié)構(gòu)上其采用模塊化設(shè)計，外觀質(zhì)量佳，適合數(shù)據(jù)的遠程傳送，同時信號輸送距離長，抗外界干擾能力強。

水速傳感器：Water Flow Sensor是一款水流傳感器，主要由塑料閥體 、水流轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成。其可應用于水的流量測控系統(tǒng)，其外觀輕巧靈便，體積小，便于安裝，葉輪內(nèi)部鑲有不銹鋼珠，永久耐磨，具有強大的適應性，適合各種控制器和開發(fā)板。

DHT11傳感器：數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。應用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，使得其在實際應用中具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。

降雨量傳感器：適用于各種天氣狀況的監(jiān)測，模塊將監(jiān)測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號和AO輸出電平信號，具有對抗氧化、導電性及壽命方面更優(yōu)越的性能。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用分布式模塊設(shè)計方法構(gòu)造系統(tǒng)的整個結(jié)構(gòu)布局。在各個監(jiān)測站點建立數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)傳感器獲取環(huán)境數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過開源單片機Arduino處理之后實時數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中[7]。現(xiàn)場PC端獲取數(shù)據(jù)信息的同時遠程Web端也可以實時接收到數(shù)據(jù)，并且用最優(yōu)化的方法顯示其變化的趨勢，系統(tǒng)在整個設(shè)計中充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)智能化地監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)變化，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)原理圖

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖設(shè)計

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲原理圖

整個系統(tǒng)在設(shè)計上充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖3所示。系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的硬件通過網(wǎng)絡(luò)與客戶端相連接。在整個網(wǎng)絡(luò)拓撲圖中監(jiān)測站為數(shù)據(jù)采集點，監(jiān)測站點之間通過交換機實現(xiàn)連接，同時數(shù)據(jù)采集之后存放到數(shù)據(jù)庫中，并實現(xiàn)實時更新。客戶端在使用時直接通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取。整個網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳送，結(jié)構(gòu)清晰，可以方便對系統(tǒng)進行深層次的開發(fā)利用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序分為初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)調(diào)用等部分。其中初始化主要是判斷系統(tǒng)獲取傳感器信息，從而判定傳感器接入的串口點，處理器運行后開始采集傳感器獲取的數(shù)據(jù)。通過系統(tǒng)進行處理之后，選擇一定量的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫，同時遠程客戶端與管理端口從數(shù)據(jù)庫實時調(diào)用數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲取有效的數(shù)據(jù)[8]。

系統(tǒng)在運行時首先對硬件進行初始化，傳感器開始采集數(shù)據(jù)并由Arduino對數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，同時數(shù)據(jù)通過程序轉(zhuǎn)入到實時數(shù)據(jù)庫中。客戶端通過網(wǎng)絡(luò)從數(shù)據(jù)庫中獲取新的數(shù)據(jù)，并且用Echarts圖表顯示在界面上，便于管理人員進行開發(fā)處理與數(shù)據(jù)信息采集[9]，系統(tǒng)整體程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序運行流程圖

3.2 采集數(shù)據(jù)程序設(shè)計

整個系統(tǒng)涵蓋多個監(jiān)測站點，每個監(jiān)測站點對應采集溫度、濕度、風速、降雨量、水流速度。整個水庫模型建立需要的最重要數(shù)據(jù)便是降雨量與水流速度，其中溫度、濕度、風速均是數(shù)據(jù)采集器每半小時對庫區(qū)整個生態(tài)區(qū)進行數(shù)據(jù)采集一次。數(shù)據(jù)采集器獲取的數(shù)據(jù)可以顯示在Arduino編輯器的串口處，每個監(jiān)測站點分布著不同的傳感器采集數(shù)據(jù)[10]。

采集過程使用串行的方法運行程序，這樣做在時間上相對來說不同數(shù)據(jù)之間具有一定時間間隔。鑒于系統(tǒng)采集周期長，時間間隔理想，為使整個系統(tǒng)精準故采用串行處理模式，這樣很好地解決了傳感器并行處理造成的系統(tǒng)數(shù)據(jù)紊亂的問題。

3.3 客戶端程序設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集之后存入數(shù)據(jù)庫，客戶端通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)獲取[10]。目前客戶端最為常用的結(jié)構(gòu)分為C/S、B/S結(jié)構(gòu)，其中研究區(qū)域?qū)嵉乇O(jiān)控中心采用C/S結(jié)構(gòu)，可以方便地獲取數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)。遠程實驗室獲取數(shù)據(jù)采用B/S結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)在不同的地點直觀地獲取從研究區(qū)域傳過來的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)真正的智能化。

現(xiàn)場監(jiān)測終端：客戶端設(shè)計程序根據(jù)實際需要設(shè)置多個站點的數(shù)據(jù)同時展示，其中庫區(qū)監(jiān)測站主要是獲取數(shù)據(jù)。

Web遠程客戶端是針對遠程管理人員進行數(shù)據(jù)采集。采用客戶端可以實現(xiàn)在不同地點任意地提取數(shù)據(jù)，當然這需要足夠的管理人員權(quán)限才可以快速地獲取真實的數(shù)據(jù)，以游客身份進入客戶端只能觀看到實時數(shù)據(jù)的變化。

3.4 結(jié)果分析

整個系統(tǒng)運行采集的數(shù)據(jù)通過客戶端可以實現(xiàn)實時查看。管理人員與消費者通過不同的方式查看數(shù)據(jù)，其中部分數(shù)據(jù)圖表如圖5～圖7所示。數(shù)據(jù)采集之后通過圖形展示在客戶端，實時地顯示數(shù)據(jù)變化趨勢。管理人員可以對其進行分析總結(jié)從而在實際中應用，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化[11]。

圖5 流域年均降雨量圖

圖6 流域周氣候變化圖

圖7 流域水體速度日變化圖

系統(tǒng)設(shè)置的站點在整個系統(tǒng)運行時不斷采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時傳送到數(shù)據(jù)庫，客戶端從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，并通過一定的表格形式顯示出來，為了更好地研究數(shù)據(jù)的趨勢與效果，采用Echarts形式設(shè)計監(jiān)測界面，實現(xiàn)可視化研究，方便數(shù)據(jù)的挖掘與深入研究。

4 結(jié)論

本文基于Arduino-Ethernet開發(fā)設(shè)計了一套適用于水體流域進行數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)。系統(tǒng)采用性能良好的傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準采集。同時系統(tǒng)在測試過程中，狀態(tài)穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過多重處理，通過客戶端進行顯示實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完美展現(xiàn)。管理人員充分利用其可視化及可挖掘性，實現(xiàn)了準確預測各種信息數(shù)據(jù)的變化走向。系統(tǒng)可以人為地進行擴展，可以應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。

[1] MCROBERTS M.Arduino從基礎(chǔ)到實踐[M].楊繼志，郭敬，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] 李明亮.Arduino項目DIY[M].北京：清華大學出版社，2015.

[3] 陳呂洲.Arduino程序設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[4] 于景陽.長春電力公司用電信息采集系統(tǒng)設(shè)計[D]. 吉林：吉林大學，2015.

[5] 郭廣明.淺談云計算技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)中的應用[J]. 電子測試，2016(9)：99-100.

[6] 劉穎.物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應用及前景展望[J].信息與電腦(理論版)， 2016(6)：26-27,69.

[7] 吳凌斌.基于WSN的扎龍濕地水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].齊齊哈爾：齊齊哈爾大學，2015.

[8] 張恩迪,李翔.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)綜合誤差研究及軟硬件設(shè)計[C]. 2015全國嵌入式儀表及系統(tǒng)技術(shù)會議程序冊， 2015:18.

[9] 鄭克銘,何斌.基于ICV的某大型鋼廠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[C]. 中國計量協(xié)會冶金分會2015年會論文集，2015:261-265.

[10] 吳濤,王靖宇.基于單片機的醫(yī)學信號數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計[C]. 中華醫(yī)學會醫(yī)學工程學分會第十五次全國學術(shù)年會論文匯編， 2015:360-361.

[11] 袁本華，董錚.基于Arduino控制板的溫室大棚測溫系統(tǒng)設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40(8):49-50.

Design of intelligent environmental information collection system in reservoir

Zeng Jin,Lei Jianyun

(College of Computer Science,South-Central University for Nationalities,Wuhan 430000,China)

In recent years, the three-dimensional hydrodynamic model of water resources is becoming more and more mature, through the data acquisition of large reservoir area, using the data mining technology can realize the modeling of the entire reservoir system. With the advent of information technology data collection Arduino-Ethernet, which makes it possible to realize the data from precision acquisition to controlled transfer. The system has taken into account the actual circumstances of the research area, the sensor used are compatible with Arduino-Ethernet. After data collection, the data can be transferred quickly from the scene to the laboratory database centers through the network technology, and the processed data can be applied into practical application.

Arduino-Ethernet; intelligent; sensor

TP399

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.21.026

曾金，雷建云. 庫區(qū)環(huán)境信息智能化采集系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應用，2016,35(21)：85-87.

2016-07-03)

曾金(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：計算機控制系統(tǒng)及其與硬件的結(jié)合、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

雷建云(1972-)，男，教授，碩士生導師，主要研究方向：計算機系統(tǒng)工程及安全。