基于Arduino技術的監測系統設計

秦迎春

（廣東白云學院電氣與信息工程學院 廣東 廣州 510450）

0 引言

?；~塘系統作為一個特殊的復合農業生態系統，逐漸受到更多人的重視。傳統的?；~塘已不再適應國家現代化戰略的發展，全球新一輪科技革命、產業變革方興未艾，智聯網、云計算等新一代信息技術加快應用，深刻改變了生產生活方式，引發經濟格局和產業形態深度變革，形成發展數字經濟的普遍共識。大數據成為基礎性戰略資源，新一代人工智能成為創新引擎。本文設計可將傳統的桑基魚塘農業向著智慧農業、數字農業轉型，其順應國家發展戰略趨勢。隨著智能技術的發展，舊?；~塘改造的監測系統設計還將實現更多的智能應用，以提高產品增值性，增加其實用性[1]，基塘改造也會成為農業生產的一個發展熱點。。

1 系統總設計

本文以Arduino UNO開發板為核心，將溫度、濕度、二氧化碳（CO2）、溶解氧濃度通過傳感器采集數據發送到微處理器上，并對數據進行分析處理顯示到LCD屏幕上，當采集的數據超標時發出報警信號（圖1）。該設計還可以使用智能手機與ESP8266Wi-Fi模塊，通過無線通信技術（Wi-Fi）連接機智云平臺服務器，將數據傳輸給硬件主控電路，下發控制指令實現手機端遠程監測，從而達到智能監測?；~塘的目的[2]。

圖1 系統設計圖

2 系統硬件設計

硬件電路由Arduino UNO R3開發板、溫濕度傳感器模塊、數據采集模塊、溶解氧傳感器模塊、CO2傳感器、復位模塊、顯示模塊、ESP8266Wi-Fi通信模塊等組成。

2.1 Arduino UNO R3主控芯片模塊

Arduino UNO R3主控芯片穩定可靠，且上傳程序也很簡單，用串口線連接通用的USB2.0或USB3.0接口即可，同時也可以通過USB接口供電，這樣可以使得在上傳程序的同時不用考慮供電的問題。Arduino UNO R3技術指標見表1[3]，可見，輸入電壓最高為12 V，輸入電流為20 mA，普通充電寶和適配器就可以滿足，尺寸較小，方便安裝和排布，該芯片功能強大穩定可靠。

表1 Arduino UNO R3技術指標

2.2 溫度傳感器模塊

采用防水DS18B20數字溫度傳感器進行溫度的測量，其輸出的是數字信號，具有體積小、硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高等特點。DS18B20在與Arduino UNO R3連接時僅需要一條口線即可實現雙向通信，其的工作電壓為3.0～5.5 V。防水DS18B20數字溫度傳感器與Arduino UNO R3連接如圖2所示，可以看出，將紅色條帶連接至5 V，將黑色條帶接地，并將黃色條帶連接至Arduino UNO R3的數字引腳2，還需要從數據引腳到5 V處，并連接1個4.7 K上拉電阻。

圖2 防水DS18B20數字溫度傳感器與Arduino UNO R3的連接

2.3 土壤濕度傳感器模塊

采用SEN0114土壤濕度傳感器，用于檢測土壤的水分。當土壤缺水時，傳感器輸出值將減小，反之將增大。土壤濕度傳感器與Arduino UNO R3的連接，如圖3所示[4]。

圖3 土壤濕度傳感器與Arduino UNO R3的連接

2.4 溶解氧傳感器模塊

采用Arduino UNO R3兼容的SEN0237溶解氧傳感器，用于測量水中的溶解氧含量，反映水質狀況。俗話說，“養魚先養水，好水養好魚。”良好的水質，對水生物非常重要，溶解氧就是反應水質好壞的重要參數之一。水中的溶解氧數值一旦過低，會造成水生物呼吸困難，并對其生存造成威脅。SEN0237溶解氧傳感器簡單易用，兼容性強，溶解氧電極為原電池型電極，無須極化時間隨用隨測。信號轉接板具有工作電壓寬、連線方便、即插即用等特點，可方便地接入到現成的控制系統中使用，SEN0237溶解氧傳感器與Arduino UNO R3連接如圖4所示[5]。

圖4 SEN0237溶解氧傳感器與Arduino UNO R3連接

2.5 CO2傳感器模塊

采用DFRobot新推出的高精度大量程紅外SEN0220為CO2傳感器，其有效量程可達0～50 000 ppm。該傳感器是通用、小型傳感器，利用非色散紅外（non-dispersive infraRed，NDIR）原理對空氣中存在的CO2進行探測，并且內置溫度補償，使用串口便可讀取當前CO2氣體濃度，使用非常簡單，兼容各類單片機和傳感器，SEN0220 CO2傳感器與Arduino UNO R3連接如圖5所示。

圖5 SEN0220 CO2傳感器與Arduino UNO R3連接

2.6 ESP8266WiFi模塊

ESP8266WiFi通信模塊與Arduino UNO R3之間采用8位異步串口通信，并且內置了TCP/IP網絡協議棧。ESP8266模塊支持TTL串口，具有完全兼容3.3 V和5 V無線連接控制環境，可較好地與單片機或其他電子設備進行實時無線連接。此模塊通常共有3種主要的網絡配置模式：STA配網模式、AP配網模式、STA+AP配網模式。ESP8266模塊非常小巧，面積大約為29 mm×19 mm，ESP8266WiFi接口原理如圖6所示。

圖6 ESP8266WiFi接口原理

2.7 TFT1.44寸顯示屏模塊

采用TFT1.44寸顯示屏，該顯示屏亮度好、對比度高、層次感強、顏色鮮艷，分辨率為128像素×128像素，工作溫度為-20～70 ℃，顯示模式為全彩，連接方式為焊接插接連接器，TFT1.44寸顯示屏與Arduino UNO R3連接如圖7所示。

圖7 TFT1.44寸顯示屏與Arduino UNO R3連接

2.8 閾值設置及報警

系統通過程序對閾值進行設置，報警程序就是控制LED和蜂鳴器。它們均使用Arduino UNO R3的IO推挽輸出。當邏輯判斷到溫濕度、溶解氧、CO2不在閾值范圍內，則通過對應的IO輸出高低電平。

3 系統軟件設計

在Arduino IDE環境下進行軟件開發，同時使用了該公司官方提供的標準庫進行程序編寫。系統設計的功能是分別對溫濕度、溶解氧、CO2實施實時動態采集效果，能較為準確地顯示各傳感器的數據。軟件系統的組成由數據庫的加載選擇、運行實例程序、數據庫的使用、使用各傳感器收集信息、Arduino UNO R3開發板處理信息等。系統軟件控制程序流程圖如圖8所示。

圖8 系統軟件控制程序流程

3.1 機智云的環境搭建

系統通過ESP8266Wi-Fi模塊與機智云的云端進行通信，智能桑基魚塘實現遠程控制圖如圖9所示。在機智云平臺設置一個新產品，在兩者建立通信之前，需要將ESP8266Wi-Fi模塊燒錄機智云GAgent固件。首先，在智能云平臺上下載相應的GAgent固件包，GAgent主要的作用是數據轉發，是設備數據、機智云、應用端（APP）的數據交互橋梁。然后，用USB轉串口進行燒錄，燒錄使用官方提供的flash_download_tools_V1軟件將固件燒錄后，編寫Arduino UNO R3運行代碼，將各傳感器采集的數據傳給ESP8266Wi-Fi模塊，配置網絡信息，并編寫對應的APP程序，通過手機端呈現給用戶。

圖9 智能桑基魚塘實現遠程控制圖

3.2 ESP8266Wi-Fi模塊網模塊數據傳輸程序設計

使用ESP8266Wi-Fi模塊，對串口進行簡單的配置便能通過網絡傳輸數據。ESP8266Wi-Fi與Arduino UNO R3連接完成后，使用AT指令來調試Wi-Fi。AT指令是在終端設配與PC應用程序之間的連接與通信，即定義好的一個特殊指令，可表達特殊指令的字符串。需要注意的是，每條AT命令中只能包含一條AT指令，如：A發送“回家了”，B在收到該內容之后，就會相應的回復“知道了”。如果想要執行命令的話，只需要在AT指令后面加上“=+相應參數”即可。如，想要將當前模式設置成為正常模式，可寫為“AT+MODE=NORMAL”。對于一些沒有參數的指令，則可以不需要添加參數。如，復位命令（AT+RESET）就不需要添加參數。

在確定好ESP8266Wi-Fi工作的模式為STA（在STA模式下，ESP8266能夠連接到Wi-Fi）后，就可以通過串口將ESP8266Wi-Fi和Arduino UNO R3連接在一起。這樣就完成了ESP8266Wi-Fi和Arduino UNO R3的硬件連接，之后還需在軟件中讓Arduino UNO R3來驅動ESP8266Wi-Fi完成傳輸數據的功能。

4 結語

綜上所述，從傳統?；~塘的管理難度大、管理時間長、管理人員多3個弱點進行攻破，提出通過溫度、濕度、溶解氧濃度、CO2、pH值數據的采集與調節，將傳感器、自動化控制、無線通信、計算等技術集于一體，設計了能夠應用于水產養殖業的反饋增氧系統、農田種植業的溫度、濕度自動調節的基塘系統。該設計具有結構穩定、精度高、高可靠性、靈活、易安裝等特點，從而達到提高桑基魚塘生產效率，縮短管理的時間，節約人力成本的目的，將桑基魚塘打造成一個自動化、智能化的現代綠色基塘。