基于Arduino的智慧濕地監測系統設計

侯 杰，楊 斌，劉擇準，王懿品

（南開大學濱海學院，天津 300270）

0 引 言

濕地作為地球不可或缺的生態環境之一[1]，是生態系統中的重要一環，在保護地球環境與推進可持續發展過程中發揮著重要作用。近年來，物聯網、大數據等信息技術迅速崛起，推動了信息化時代的發展，為生態環境保護提供了更加有效的方法。而目前濕地的監測方法較為單一，且大多使用基于有人云平臺的單個設備，相對自由度較少[2]。為降低用戶使用難度與開發成本，提高自由度，本文設計了基于Arduino的智慧濕地監測系統[3]。系統以Arduino mega2560單片機[4]為主體，可通過傳感器將采集的信息傳輸到OneNET及私有平臺；支持多協議、多設備、多地域接入，具有良好的開發性。

1 系統總體設計

智慧濕地監測系統將Arduino mega2560單片機作為主控模塊，將傳感器作為數據采集模塊，單片機將處理后的數據經ESP8266無線模塊傳送至OneNET平臺，再經HTTP協議傳輸至私有平臺。智慧濕地監測系統框架如圖1所示。

圖1 智慧濕地監測系統框架

智慧濕地監測系統由環境數據采集設備、主控模塊、通信網絡、云平臺組成。

1.1 環境數據采集設備

該設備由溫濕度傳感器、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境的數據，將數字信號經過處理后發送至單片機中[5]。

1.2 主控模塊

本系統使用開源硬件作為核心，負責系統的信息收發、集中、存儲、分析，在執行控制傳感器指令的同時可完成部分運算功能。

1.3 通信網絡

本系統將采集到的數據進行處理后，采用RS 485通信網絡將數據傳輸至OneNET平臺，并通過HTTP協議發送到獨立平臺進行設備管理和開發。

1.4 云平臺

使用移動OneNET云平臺及私有平臺在云端進行位置顯示、數據分析，以及信息日志的調用、報警消息處理等，具有一定的獨立性[6]。

2 系統硬件設計

系統硬件電路如圖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個數字輸入/輸出引腳，16個模擬輸入，4個UART，1個16 MHz晶體振蕩器和1個重置按鈕。Arduino mega2560包含有支持微控制器所需的全部配件。智慧濕地監測系統中的傳感器模塊等連接至單片機后，可將處理好的數據發送至云平臺顯示，之后通過返回的控制信號控制相應的傳感器及模塊。

圖2 系統硬件電路

2.2 溫濕度傳感器

DHT11是由電阻式感濕元件和NTC測溫元件組成的數字溫濕度傳感器，它具有成本低、性能穩定、反應靈敏、信號傳輸距離長、精準校準等優點。此外，它在Arduino庫中的信息較為完善，調用方便，無需手動解析，便于修改[7]。

2.3 土壤酸堿度傳感器

智慧濕地監測系統所用的土壤酸堿度檢測傳感器為RS 485接口，通過標準MODBUS-RTU協議實現多點同時在線監測；采用的4探針傳感器靈敏度高、穩定性強、功耗低、測量面積廣、操作簡單，插入土中即可使用。為實現監測點的剖面酸堿度檢測，可將該傳感器布置在不同深度進行檢測[8-10]。

2.4 蜂鳴器報警模塊

蜂鳴器常被作為電子儀器中的發聲裝置，智慧濕地監測系統使用有源蜂鳴器。系統利用I/O口定時翻轉電平驅動蜂鳴器，通過改變方波的頻率及信號占空比實現不同的效果。

2.5 LCD顯示模塊和LED

智慧濕地監測系統采用LCD1602顯示模塊，可實時顯示經過單片機處理的數據，通過與云平臺數據的對比判斷數據的準確性。

發光二極管（LED）是電路及儀器中常用的電子器件，它是一種半導體固體器件，能將電能轉化為可見光，可通過LED的亮滅判斷系統的工作狀態。

2.6 ESP8266無線模塊

智慧濕地監測系統采用的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網絡功能，既能夠獨立應用，也可作為從機搭載于其他主機MCU運行。該模塊集成了天線開關、射頻balun、功率放大器、低噪聲放大器、濾波器和電源管理模塊，可應用到基于微控制器的設計中。

3 系統軟件設計

Arduino mega2560具有54路數字輸入/輸出口，4路串口，4路UART接口，15路模擬輸入，1個16 MHz晶體振蕩器，1個ICSP header。Arduino mega2560能兼容為Arduino UNO設計的擴展板，使用方便，可用作本系統的中心處理器。在系統上電后，首先進行各模塊的初始化，初始化無誤后通過串口發送指令控制ESP8266 WiFi模塊進行相關操作。開機后，WiFi模塊自動搜索匹配程序的名稱及密碼連接網絡，連接成功后由中國移動OneNET進行終端接入，并通過API接口將數據傳輸到私有平臺，對數據進行可視化處理，從而實現數據監測。系統工作流程如圖3所示。

圖3 系統工作流程

4 系統測試結果

預先設定熱點及密碼，將單片機與PC端相連。打開手機熱點，當WiFi模塊連接成功后，可在OneNET平臺上查看預先編輯好的設備型號及位置。打開云平臺上的實時刷新按鈕，可監測實時接收的數據。之后通過HTTP協議將數據傳輸到私有平臺，即可進行設備管理，報警信息的接收處理及數據歷史日志的查看、調用、分析等。位置及設備信息顯示界面如圖4所示，數據接收界面如圖5所示，歷史查看及調用界面如圖6所示。

圖4 位置及設備信息

圖5 數據接收界面

圖6 歷史查看及調用界面

5 結 語

根據較長時間的測試可知，智慧濕地監測系統可實時監測傳感器采集的各項數據，并準確傳輸至云平臺。用戶通過分析數據可判斷濕地狀況，并實現對濕地的保護。該系統搭建簡便，數據查詢便捷，可擴展性強，不僅可用于濕地的保護管理，也可用于花卉養殖、農業種植等領域。