一種防風(fēng)固沙裝置的數(shù)據(jù)采集顯示功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈沖沖 王培晶 王 超 任少平

（蚌埠學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽蚌埠 233030）

0 引言

2005年8月，時(shí)任浙江省委書記的習(xí)近平同志在浙江安吉縣余村調(diào)研時(shí)，首次提出“綠水青山就是金山銀山”的重要論述。當(dāng)前，荒漠化是世界各地都面臨的重大環(huán)境問題，尤其是在我國(guó)西北地區(qū)，沙漠覆蓋面積較大，已經(jīng)嚴(yán)重影響到居民的正常生活。為了解決這一問題，很多組織機(jī)構(gòu)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(duì)環(huán)境、土壤、植被等的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，或數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的種類較為單一，導(dǎo)致植被的存活率較低，達(dá)不到理想的覆蓋效果。因此，本文設(shè)計(jì)了一種防風(fēng)固沙裝置的數(shù)據(jù)采集及顯示系統(tǒng)，通過風(fēng)速監(jiān)測(cè)模塊、土壤濕度監(jiān)測(cè)模塊、環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)較為全面的數(shù)據(jù)采集，并提供了水箱水位監(jiān)測(cè)功能，可以根據(jù)存水量及時(shí)補(bǔ)充植被的用水需求，系統(tǒng)采集的所有數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)顯示在本地屏幕上，便于監(jiān)測(cè)查看。

1 系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示，本系統(tǒng)主要由Arduino UNO系列主板及其擴(kuò)展板、9 V電源（后期擴(kuò)展方案可以引入太陽(yáng)能板及電源管理模塊進(jìn)行供電）、顯示模塊、土壤濕度監(jiān)測(cè)模塊、溫濕度模塊、風(fēng)速模塊、水箱水位監(jiān)測(cè)模塊、水箱抽水泵組成。

2 硬件設(shè)計(jì)選型

2.1 Arduino UNO主板及擴(kuò)展板

本文使用較為常見且性價(jià)比高的Arduino UNO開源電路板作為核心，其具有12個(gè)可用數(shù)字量輸入/輸出引腳、5個(gè)模擬量輸入引腳，可以配接較多的傳感器模塊及執(zhí)行單元，也便于后期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能性擴(kuò)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(diào)用一些經(jīng)過驗(yàn)證的穩(wěn)定的庫(kù)文件。同時(shí)，為了減少接線的數(shù)量，采用了UNO擴(kuò)展板，如圖2所示，其具備多路電源及接地引腳，改善了傳統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的電容式溫濕度傳感器和熱敏電阻來測(cè)量周圍空氣，可靠性及穩(wěn)定性優(yōu)異，其溫度監(jiān)測(cè)范圍在-40～80 ℃，可以較好地在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下長(zhǎng)期工作。模塊具備三個(gè)引腳，極大程度上降低了主控電路板的信號(hào)引腳占用，在程序編寫過程中，也可以使用穩(wěn)定的庫(kù)文件，快速調(diào)用庫(kù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。

2.3 風(fēng)速模塊

本模塊采用的是三杯式機(jī)械風(fēng)速傳感器，通過空氣流動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)力推動(dòng)測(cè)量杯體轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而將轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞給傳感器主軸，帶動(dòng)內(nèi)部小型電機(jī)產(chǎn)生電壓模擬信號(hào)，其電壓基本和旋轉(zhuǎn)速度成正比，以此獲取環(huán)境風(fēng)速數(shù)據(jù)，電壓信號(hào)與風(fēng)速的計(jì)算公式為：風(fēng)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(qiáng)，可長(zhǎng)期在戶外使用。

2.4 水位監(jiān)測(cè)模塊、土壤濕度監(jiān)測(cè)模塊及執(zhí)行單元

本次設(shè)計(jì)考慮在植被種植處附近集中安設(shè)地下水箱，和供水管道相連接，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：（1）當(dāng)植被所處的土壤環(huán)境濕度不足時(shí)，啟動(dòng)繼電器，使供水泵工作，將水箱內(nèi)的存水輸送到土壤中，提高土壤的水含量；（2）在水箱中設(shè)有水位監(jiān)測(cè)模塊，一旦儲(chǔ)水量低于預(yù)設(shè)值，則提示水位過低，需要打開供水管道進(jìn)行蓄水，蓄水的目的是確保澆灌的水流溫度和環(huán)境溫度基本相符合，在給植被土壤補(bǔ)充水分時(shí)不會(huì)因?yàn)闇夭钸^大而影響植被生長(zhǎng)。

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(yè)顯示內(nèi)容較多，可以方便地實(shí)現(xiàn)中英文、數(shù)字、圖形圖像等的清晰、準(zhǔn)確顯示。在本次設(shè)計(jì)中，中文字符顯示大小為12×12像素，英文及數(shù)字字符調(diào)用U8glib庫(kù)，字體大小設(shè)置為u8g_font_6x13。

3 硬件連接

系統(tǒng)硬件接線圖如圖3所示，接線實(shí)物圖如圖4所示。將擴(kuò)展板焊接上排針后，對(duì)應(yīng)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(kuò)展板。抽水泵和繼電器連接串入電路中，確保條件不足時(shí)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(kuò)展板上的多路供電和接地引腳連接，提供5 V供電電壓。風(fēng)速傳感器負(fù)極與擴(kuò)展板任一GND端口連接，正極接入擴(kuò)展板A0端口，水位傳感器數(shù)據(jù)端口與擴(kuò)展板A1端口連接，土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)端口與擴(kuò)展板A2端口相連，獲取模擬量數(shù)據(jù)。環(huán)境溫濕度傳感器DAT端與擴(kuò)展板數(shù)字I/O端口3連接，繼電器IN端與擴(kuò)展板數(shù)字I/O端口2連接，OLED屏幕SCL、SDA端口與擴(kuò)展板SCL、SDA端口相連，用于中英文字符及采集數(shù)據(jù)的傳輸顯示。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示，首先開機(jī)上電，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，完成后，進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)，系統(tǒng)從溫濕度傳感器（使用數(shù)字引腳輸入）獲取環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，利用風(fēng)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(shí)時(shí)風(fēng)速、水箱水位及土壤濕度數(shù)據(jù)，顯示效果如圖6所示。在程序編寫時(shí)，對(duì)土壤濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將采集值利用map()函數(shù)轉(zhuǎn)化至0～100范圍，當(dāng)其低于設(shè)定值20時(shí)，啟動(dòng)繼電器開啟抽水泵；同理進(jìn)行水位數(shù)據(jù)的讀取與轉(zhuǎn)換，低于預(yù)設(shè)值時(shí)，顯示水位過低，提示增加蓄水量；對(duì)于風(fēng)速的采集，主要用于后續(xù)機(jī)械防風(fēng)裝置的擴(kuò)展設(shè)計(jì)，風(fēng)速過大，啟動(dòng)機(jī)械裝置將表層土壤保護(hù)起來。

在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集過程中需要注意，為了防止數(shù)據(jù)的采集顯示頻率超出OLED屏幕的刷新率，導(dǎo)致OLED屏幕顯示不完整，需要對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的多組數(shù)據(jù)取平均值，再顯示在屏幕上。

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)連接完成后對(duì)軟硬件進(jìn)行功能測(cè)試，經(jīng)過實(shí)際檢測(cè)，本系統(tǒng)的檢測(cè)效果良好，能夠?qū)崟r(shí)采集傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行穩(wěn)定顯示，設(shè)計(jì)使用的傳感器模塊接線方便，占用主電路的引腳較少，性價(jià)比較高，便于后期增加附屬功能。本文完成了系統(tǒng)的硬件搭建與選型，對(duì)軟件功能設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的過程敘述，提供了清晰的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)路徑，可以為相關(guān)設(shè)計(jì)提供有效參考。