0. 引言
傳統的桑基魚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,舊桑基魚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,從而達到智能監測桑基魚塘的目的[2]。
2.系統硬件設計
硬件電路由Arduino UNOR3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、ESP8266 Wi-Fi通信模塊等組成。
表1 Arduino UNOR3技術指標
2.1Arduino UNOR3主控芯片模塊
Arduino UNOR3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 UNOR3技術指標見表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,該芯片功能強大穩定可靠。
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 UNOR3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3.0~5.5V。
防水DS18B20數字溫度傳感器與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的數字引腳2,還需要從數據引腳到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。
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,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,并且內置了TCP/IP網絡協議棧。
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 UNOR3開發板處理信息等。系統軟件控制程序流程圖如圖8所示。
3.1機智云的環境搭建
系統通過ESP8266 Wi-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的GAgent固件包,GAgent主要的作用是數據轉發,是設備數據、機智云物聯網平臺、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?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據傳給ESP8266 Wi-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。
3.2Wi-Fi模塊傳輸程序設計
使用ESP8266 Wi-Fi模塊,對串口進行簡單的配置便能通過網絡傳輸數據。ESP8266 Wi-Fi與Arduino UNOR3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”。
4. 小結
本文從傳統桑基魚塘的管理難度大、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。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:應用筆記|基于arduino技術的監測系統設計
文章出處:【微信號:IoTMaker,微信公眾號:機智云開發者】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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