一種防風固沙裝置的數據采集顯示功能設計與實現

沈沖沖 王培晶 王 超 任少平

（蚌埠學院機械與車輛工程學院，安徽蚌埠 233030）

0 引言

2005年8月，時任浙江省委書記的習近平同志在浙江安吉縣余村調研時，首次提出“綠水青山就是金山銀山”的重要論述。當前，荒漠化是世界各地都面臨的重大環境問題，尤其是在我國西北地區，沙漠覆蓋面積較大，已經嚴重影響到居民的正常生活。為了解決這一問題，很多組織機構都在積極嘗試、開展沙漠綠化工作，逐步種植了一些具有固沙作用的植被，起到了一定的作用。但在種植過程中，缺少對環境、土壤、植被等的數據監測，或數據監測的種類較為單一，導致植被的存活率較低，達不到理想的覆蓋效果。因此，本文設計了一種防風固沙裝置的數據采集及顯示系統，通過風速監測模塊、土壤濕度監測模塊、環境溫濕度監測模塊實現較為全面的數據采集，并提供了水箱水位監測功能，可以根據存水量及時補充植被的用水需求，系統采集的所有數據都可以實時顯示在本地屏幕上，便于監測查看。

1 系統總方案設計

系統總體方案設計如圖1所示，本系統主要由Arduino UNO系列主板及其擴展板、9 V電源（后期擴展方案可以引入太陽能板及電源管理模塊進行供電）、顯示模塊、土壤濕度監測模塊、溫濕度模塊、風速模塊、水箱水位監測模塊、水箱抽水泵組成。

2 硬件設計選型

2.1 Arduino UNO主板及擴展板

本文使用較為常見且性價比高的Arduino UNO開源電路板作為核心，其具有12個可用數字量輸入/輸出引腳、5個模擬量輸入引腳，可以配接較多的傳感器模塊及執行單元，也便于后期對系統進行功能性擴展；其配套的程序軟件Arduino IDE界面較為友好，程序編寫更加方便，可以快速調用一些經過驗證的穩定的庫文件。同時，為了減少接線的數量，采用了UNO擴展板，如圖2所示，其具備多路電源及接地引腳，改善了傳統面包板占位較大且接線煩瑣的問題。

2.2 DHT22溫濕度傳感器模塊

DHT22溫濕度傳感器模塊具有標準單總線接口，相比DHT11擁有更高的精度和更大的量程，該傳感器模塊含有已校準數字信號輸出的電容式溫濕度傳感器和熱敏電阻來測量周圍空氣，可靠性及穩定性優異，其溫度監測范圍在-40～80 ℃，可以較好地在嚴酷的環境條件下長期工作。模塊具備三個引腳，極大程度上降低了主控電路板的信號引腳占用，在程序編寫過程中，也可以使用穩定的庫文件，快速調用庫函數，實現數據采集功能。

2.3 風速模塊

本模塊采用的是三杯式機械風速傳感器，通過空氣流動產生的風力推動測量杯體轉動，進而將轉動力傳遞給傳感器主軸，帶動內部小型電機產生電壓模擬信號，其電壓基本和旋轉速度成正比，以此獲取環境風速數據，電壓信號與風速的計算公式為：風速F（單位為m/s）=0.027×電壓U（單位為mV）。該模塊使用ABS工程塑料殼體，抗腐蝕性較強，可長期在戶外使用。

2.4 水位監測模塊、土壤濕度監測模塊及執行單元

本次設計考慮在植被種植處附近集中安設地下水箱，和供水管道相連接，以實現兩個功能：（1）當植被所處的土壤環境濕度不足時，啟動繼電器，使供水泵工作，將水箱內的存水輸送到土壤中，提高土壤的水含量；（2）在水箱中設有水位監測模塊，一旦儲水量低于預設值，則提示水位過低，需要打開供水管道進行蓄水，蓄水的目的是確保澆灌的水流溫度和環境溫度基本相符合，在給植被土壤補充水分時不會因為溫差過大而影響植被生長。

2.5 顯示模塊

屏幕顯示部分，選用的是基于IC通信模式的1.3寸OLED顯示屏模塊，相比SPI模式，該模塊占用引腳少、成本低，單頁顯示內容較多，可以方便地實現中英文、數字、圖形圖像等的清晰、準確顯示。在本次設計中，中文字符顯示大小為12×12像素，英文及數字字符調用U8glib庫，字體大小設置為u8g_font_6x13。

3 硬件連接

系統硬件接線圖如圖3所示，接線實物圖如圖4所示。將擴展板焊接上排針后，對應引腳重疊插到Arduino UNO開源電路板上，9 V電源接入主電路板或者擴展板。抽水泵和繼電器連接串入電路中，確保條件不足時繼電器不工作，抽水泵電路斷路。繼電器模塊、溫濕度模塊、水位傳感器、OLED屏幕的供電，接地引腳與擴展板上的多路供電和接地引腳連接，提供5 V供電電壓。風速傳感器負極與擴展板任一GND端口連接，正極接入擴展板A0端口，水位傳感器數據端口與擴展板A1端口連接，土壤濕度傳感器數據端口與擴展板A2端口相連，獲取模擬量數據。環境溫濕度傳感器DAT端與擴展板數字I/O端口3連接，繼電器IN端與擴展板數字I/O端口2連接，OLED屏幕SCL、SDA端口與擴展板SCL、SDA端口相連，用于中英文字符及采集數據的傳輸顯示。

4 軟件設計

系統軟件設計流程圖如圖5所示，首先開機上電，系統進行初始化，完成后，進入實時監測狀態，系統從溫濕度傳感器（使用數字引腳輸入）獲取環境溫濕度數據，利用風速傳感器、水位傳感器、土壤濕度傳感器（使用模擬引腳輸入）獲取實時風速、水箱水位及土壤濕度數據，顯示效果如圖6所示。在程序編寫時，對土壤濕度數據進行分析，將采集值利用map()函數轉化至0～100范圍，當其低于設定值20時，啟動繼電器開啟抽水泵；同理進行水位數據的讀取與轉換，低于預設值時，顯示水位過低，提示增加蓄水量；對于風速的采集，主要用于后續機械防風裝置的擴展設計，風速過大，啟動機械裝置將表層土壤保護起來。

在數據的實時采集過程中需要注意，為了防止數據的采集顯示頻率超出OLED屏幕的刷新率，導致OLED屏幕顯示不完整，需要對實時采集的數據進行分組，對一定時間內的多組數據取平均值，再顯示在屏幕上。

5 結語

系統連接完成后對軟硬件進行功能測試，經過實際檢測，本系統的檢測效果良好，能夠實時采集傳感器監測的數據并進行穩定顯示，設計使用的傳感器模塊接線方便，占用主電路的引腳較少，性價比較高，便于后期增加附屬功能。本文完成了系統的硬件搭建與選型，對軟件功能設計進行了較為詳細的過程敘述，提供了清晰的設計思路與實現路徑，可以為相關設計提供有效參考。