基于arduino技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

0. 引言

傳統(tǒng)的桑基魚塘已不再適應(yīng)國家現(xiàn)代化戰(zhàn)略的發(fā)展，全球新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革方興未艾，智聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)加快應(yīng)用，深刻改變了生產(chǎn)生活方式，引發(fā)經(jīng)濟格局和產(chǎn)業(yè)形態(tài)深度變革，形成發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟的普遍共識。

大數(shù)據(jù)成為基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源，新一代人工智能成為創(chuàng)新引擎。 本文設(shè)計可將傳統(tǒng)的?；~塘農(nóng)業(yè)向著智慧農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，其順應(yīng)國家發(fā)展戰(zhàn)略趨勢。 隨著智能技術(shù)的發(fā)展，舊桑基魚塘改造的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計還將實現(xiàn)更多的智能應(yīng)用，以提高產(chǎn)品增值性，增加其實用性[1]，基塘改造也會成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個發(fā)展熱點。

1.系統(tǒng)總設(shè)計

本文以Arduino UNO開發(fā)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(shù)據(jù)發(fā)送到微處理器上，并對數(shù)據(jù)進行分析處理顯示到LCD屏幕上，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超標(biāo)時發(fā)出報警信號（圖1）。

該設(shè)計還可以使用智能手機與esp8266Wi-Fi模塊，通過無線通信技術(shù)（Wi-Fi）連接機智云平臺服務(wù)器，將數(shù)據(jù)傳輸給硬件主控電路，下發(fā)控制指令實現(xiàn)手機端遠程監(jiān)測，從而達到智能監(jiān)測?；~塘的目的[2]。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路由Arduino UNOR3開發(fā)板、溫濕度傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、溶解氧傳感器模塊、CO2傳感器、復(fù)位模塊、顯示模塊、ESP8266 Wi-Fi通信模塊等組成。

表1 Arduino UNOR3技術(shù)指標(biāo)

2.1Arduino UNOR3主控芯片模塊

Arduino UNOR3主控芯片穩(wěn)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 UNOR3技術(shù)指標(biāo)見表1[3]，可見，輸入電壓最高為12V，輸入電流為20mA，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(wěn)定可靠。

2.2溫度傳感器模塊

采用防水DS18B20數(shù)字溫度傳感器進行溫度的測量，其輸出的是數(shù)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 UNOR3連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)雙向通信，其的工作電壓為3.0～5.5V。

防水DS18B20數(shù)字溫度傳感器與Arduino UNOR3連接如圖2所示，可以看出，將紅色條帶連接至5V，將黑色條帶接地，并將黃色條帶連接至Arduino UNOR3的數(shù)字引腳2，還需要從數(shù)據(jù)引腳到5V處，并連接1個4.7K上拉電阻。

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(dāng)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 UNOR3的連接，如圖3所示[4]。

2.4溶解氧傳感器模塊

采用Arduino UNOR3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(zhì)狀況。俗話說，“養(yǎng)魚先養(yǎng)水，好水養(yǎng)好魚?！绷己玫乃|(zhì)，對水生物非常重要，溶解氧就是反應(yīng)水質(zhì)好壞的重要參數(shù)之一。水中的溶解氧數(shù)值一旦過低，會造成水生物呼吸困難，并對其生存造成威脅。

2.5CO2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0～50000ppm。該傳感器是通用、小型傳感器，利用非色散紅外（non-dispersiveinfraRed,NDIR）原理對空氣中存在的CO2進行探測，并且內(nèi)置溫度補償，使用串口便可讀取當(dāng)前CO2氣體濃度，使用非常簡單，兼容各類單片機和傳感器，SEN0220CO2傳感器與Arduino UNOR3連接如圖5所示。

ESP8266 WiFi通信模塊與Arduino UNOR3之間采用8位異步串口通信，并且內(nèi)置了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

在Arduino IDE環(huán)境下進行軟件開發(fā)，同時使用了該公司官方提供的標(biāo)準(zhǔn)庫進行程序編寫。系統(tǒng)設(shè)計的功能是分別對溫濕度、溶解氧、CO2實施實時動態(tài)采集效果，能較為準(zhǔn)確地顯示各傳感器的數(shù)據(jù)。

軟件系統(tǒng)的組成由數(shù)據(jù)庫的加載選擇、運行實例程序、數(shù)據(jù)庫的使用、使用各傳感器收集信息、Arduino UNOR3開發(fā)板處理信息等。系統(tǒng)軟件控制程序流程圖如圖8所示。

3.1機智云的環(huán)境搭建

系統(tǒng)通過ESP8266 Wi-Fi模塊與機智云的云端進行通信，智能?；~塘實現(xiàn)遠程控制圖如圖9所示。在機智云平臺設(shè)置一個新產(chǎn)品，在兩者建立通信之前，需要將ESP8266 Wi-Fi模塊燒錄機智云GAgent固件。首先，在智能云平臺上下載相應(yīng)的GAgent固件包，GAgent主要的作用是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，是設(shè)備數(shù)據(jù)、機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺、應(yīng)用端（APP）的數(shù)據(jù)交互橋梁。

然后，用USB轉(zhuǎn)串口進行燒錄，燒錄使用官方提供的?ash＿download＿tools＿V1軟件將固件燒錄后，編寫Arduino UNOR3運行代碼，將各傳感器采集的數(shù)據(jù)傳給ESP8266 Wi-Fi模塊，配置網(wǎng)絡(luò)信息，并編寫對應(yīng)的APP程序，通過手機端呈現(xiàn)給用戶。

3.2Wi-Fi模塊傳輸程序設(shè)計

使用ESP8266 Wi-Fi模塊，對串口進行簡單的配置便能通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。ESP8266 Wi-Fi與Arduino UNOR3連接完成后，使用AT指令來調(diào)試Wi-Fi。AT指令是在終端設(shè)配與PC應(yīng)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(fā)送“回家了”，B在收到該內(nèi)容之后，就會相應(yīng)的回復(fù)“知道了”。

4. 小結(jié)

本文從傳統(tǒng)?；~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(shù)據(jù)的采集與調(diào)節(jié)，將傳感器、自動化控制、無線通信、計算等技術(shù)集于一體，設(shè)計了能夠應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的反饋增氧系統(tǒng)、農(nóng)田種植業(yè)的溫度、濕度自動調(diào)節(jié)的基塘系統(tǒng)。

該設(shè)計具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(chǎn)效率，縮短管理的時間，節(jié)約人力成本的目的，將?；~塘打造成一個自動化、智能化的現(xiàn)代綠色基塘。

審核編輯：湯梓紅