基于Arduino的智慧濕地監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯 杰，楊 斌，劉擇準(zhǔn)，王懿品

（南開大學(xué)濱海學(xué)院，天津 300270）

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)發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)迅速崛起，推動(dòng)了信息化時(shí)代的發(fā)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發(fā)成本，提高自由度，本文設(shè)計(jì)了基于Arduino的智慧濕地監(jiān)測系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)以Arduino mega2560單片機(jī)[4]為主體，可通過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，具有良好的開發(fā)性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智慧濕地監(jiān)測系統(tǒng)將Arduino mega2560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無線模塊傳送至OneNET平臺(tái)，再經(jīng)HTTP協(xié)議傳輸至私有平臺(tái)。智慧濕地監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 智慧濕地監(jiān)測系統(tǒng)框架

智慧濕地監(jiān)測系統(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)行處理后，采用RS 485通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET平臺(tái)，并通過HTTP協(xié)議發(fā)送到獨(dú)立平臺(tái)進(jìn)行設(shè)備管理和開發(fā)。

1.4 云平臺(tái)

使用移動(dòng)OneNET云平臺(tái)及私有平臺(tái)在云端進(jìn)行位置顯示、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。

2.1 Arduino mega2560

Arduino mega2560是基于微控制器板的開源硬件，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)16 MHz晶體振蕩器和1個(gè)重置按鈕。Arduino mega2560包含有支持微控制器所需的全部配件。智慧濕地監(jiān)測系統(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，之后通過返回的控制信號(hào)控制相應(yīng)的傳感器及模塊。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

2.2 溫濕度傳感器

DHT11是由電阻式感濕元件和NTC測溫元件組成的數(shù)字溫濕度傳感器，它具有成本低、性能穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏、信號(hào)傳輸距離長、精準(zhǔn)校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。此外，它在Arduino庫中的信息較為完善，調(diào)用方便，無需手動(dòng)解析，便于修改[7]。

2.3 土壤酸堿度傳感器

智慧濕地監(jiān)測系統(tǒng)所用的土壤酸堿度檢測傳感器為RS 485接口，通過標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)在線監(jiān)測；采用的4探針傳感器靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、功耗低、測量面積廣、操作簡單，插入土中即可使用。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)的剖面酸堿度檢測，可將該傳感器布置在不同深度進(jìn)行檢測[8-10]。

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)電平驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，通過改變方波的頻率及信號(hào)占空比實(shí)現(xiàn)不同的效果。

2.5 LCD顯示模塊和LED

智慧濕地監(jiān)測系統(tǒng)采用LCD1602顯示模塊，可實(shí)時(shí)顯示經(jīng)過單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)，通過與云平臺(tái)數(shù)據(jù)的對(duì)比判斷數(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)化為可見光，可通過LED的亮滅判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2.6 ESP8266無線模塊

智慧濕地監(jiān)測系統(tǒng)采用的ESP8266無線模塊是一款低功耗、高集成度的WiFi芯片。它擁有完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)功能，既能夠獨(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關(guān)、射頻balun、功率放大器、低噪聲放大器、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)

Arduino mega2560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)16 MHz晶體振蕩器，1個(gè)ICSP header。Arduino mega2560能兼容為Arduino UNO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)行各模塊的初始化，初始化無誤后通過串口發(fā)送指令控制ESP8266 WiFi模塊進(jìn)行相關(guān)操作。開機(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)，連接成功后由中國移動(dòng)OneNET進(jìn)行終端接入，并通過API接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿接衅脚_(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

預(yù)先設(shè)定熱點(diǎn)及密碼，將單片機(jī)與PC端相連。打開手機(jī)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。打開云平臺(tái)上的實(shí)時(shí)刷新按鈕，可監(jiān)測實(shí)時(shí)接收的數(shù)據(jù)。之后通過HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿接衅脚_(tái)，即可進(jìn)行設(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。

圖4 位置及設(shè)備信息

圖5 數(shù)據(jù)接收界面

圖6 歷史查看及調(diào)用界面

5 結(jié) 語

根據(jù)較長時(shí)間的測試可知，智慧濕地監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確傳輸至云平臺(tái)。用戶通過分析數(shù)據(jù)可判斷濕地狀況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)濕地的保護(hù)。該系統(tǒng)搭建簡便，數(shù)據(jù)查詢便捷，可擴(kuò)展性強(qiáng)，不僅可用于濕地的保護(hù)管理，也可用于花卉養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植等領(lǐng)域。