曾金，雷建云
?。ㄖ心厦褡宕髮W 計算機科學學院,，湖北 武漢 430000）
摘要：近幾年三維水動力模型日漸成熟，通過獲取水庫區(qū)域的水力資源數(shù)據(jù),，利用數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)可以實現(xiàn)對整個庫區(qū)系統(tǒng)的建模,。數(shù)據(jù)信息采集技術(shù)隨著ArduinoEthernet的出現(xiàn)，使數(shù)據(jù)從精準采集到可控化傳送成為可能,。該系統(tǒng)在設計時充分考慮到所研究區(qū)域的實際環(huán)境,，采用的傳感器均是兼容Arduino Ethernet。數(shù)據(jù)采集之后可以通過網(wǎng)絡技術(shù)從現(xiàn)場快速地傳送到實驗室數(shù)據(jù)庫中心,，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可以應用于實際應用中,。
關(guān)鍵詞：Arduino Ethernet；智能化,；傳感器
0引言
數(shù)據(jù)采集技術(shù)目前很成熟,，但是在特定領(lǐng)域采集信息還是很有局限性。其中數(shù)據(jù)的傳送及安全性無法很好地保證,，特別是數(shù)據(jù)采集器在很多領(lǐng)域均是單獨定制的,，無法實現(xiàn)通用化、開源化,，造成系統(tǒng)無法及時更換新的采集器以保證數(shù)據(jù)的真實性［1］,。
本系統(tǒng)在設計時主要針對水體流域區(qū)域進行設計,，同時需要考慮到實際應用的簡捷程度［2］。本文所研究庫區(qū)一般處于偏遠地區(qū),，現(xiàn)場實地檢測十分不便,，故需要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳送。如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的真實有效性是本文需要考慮的重要問題,。
1系統(tǒng)總體邏輯設計
系統(tǒng)重點在于如何采集數(shù)據(jù)信息,，再進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)可控化監(jiān)控整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化［3］,。其中系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。
系統(tǒng)在整體設計上采用多層次結(jié)構(gòu)設計，其中數(shù)據(jù)的采集是整個系統(tǒng)的重要部分,。在實現(xiàn)過程中使用模塊化結(jié)構(gòu)，模塊化結(jié)構(gòu)便于系統(tǒng)進行二次開發(fā)升級［4］,。系統(tǒng)在設計上綜合各種因素,，以便于系統(tǒng)可以在不同環(huán)境條件下正常運行。
本系統(tǒng)采用Arduino-Ethernet為數(shù)據(jù)處理及采集的核心處理器,。模型主要需要的數(shù)據(jù)是水的流速,、風速、溫度,、雨量,，器材選擇采用流速、風速,、溫濕度,、雨量計量器傳感器［5］。系統(tǒng)在庫區(qū)設置多個監(jiān)測點,，實現(xiàn)實時監(jiān)控整個研究區(qū)域的主要數(shù)據(jù)變化,，同時采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡實時傳送到數(shù)據(jù)庫。研究人員只需要從遠程端口獲取需要的數(shù)據(jù)就可以進行深入的研究［6］,。
2硬件設計
2.1傳感器簡介
風速傳感器：Arduino風速傳感器體積小,，攜帶方便,其測量精度高，穩(wěn)定性好,。在結(jié)構(gòu)上其采用模塊化設計,，外觀質(zhì)量佳，適合數(shù)據(jù)的遠程傳送,，同時信號輸送距離長,，抗外界干擾能力強。
水速傳感器：Water Flow Sensor是一款水流傳感器,，主要由塑料閥體 ,、水流轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成,。其可應用于水的流量測控系統(tǒng)，其外觀輕巧靈便,，體積小,，便于安裝，葉輪內(nèi)部鑲有不銹鋼珠,，永久耐磨,，具有強大的適應性，適合各種控制器和開發(fā)板,。
DHT11傳感器：數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器,。應用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，使得其在實際應用中具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性,。
降雨量傳感器：適用于各種天氣狀況的監(jiān)測,，模塊將監(jiān)測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號和AO輸出電平信號，具有對抗氧化,、導電性及壽命方面更優(yōu)越的性能,。
2.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計
本系統(tǒng)采用分布式模塊設計方法構(gòu)造系統(tǒng)的整個結(jié)構(gòu)布局。在各個監(jiān)測站點建立數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng),，通過數(shù)據(jù)傳感器獲取環(huán)境數(shù)據(jù)信息,，經(jīng)過開源單片機Arduino處理之后實時數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中［7］。現(xiàn)場PC端獲取數(shù)據(jù)信息的同時遠程Web端也可以實時接收到數(shù)據(jù),，并且用最優(yōu)化的方法顯示其變化的趨勢,，系統(tǒng)在整個設計中充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)智能化地監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)變化，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示,。
2.3系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖設計
整個系統(tǒng)在設計上充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),，系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖如圖3所示。系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的硬件通過網(wǎng)絡與客戶端相連接,。在整個網(wǎng)絡拓撲圖中監(jiān)測站為數(shù)據(jù)采集點,，監(jiān)測站點之間通過交換機實現(xiàn)連接，同時數(shù)據(jù)采集之后存放到數(shù)據(jù)庫中,，并實現(xiàn)實時更新,。客戶端在使用時直接通過網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取,。整個網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳送,，結(jié)構(gòu)清晰，可以方便對系統(tǒng)進行深層次的開發(fā)利用,。
3系統(tǒng)軟件設計
3.1系統(tǒng)主程序
系統(tǒng)主程序分為初始化,、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理,、數(shù)據(jù)存儲,、數(shù)據(jù)調(diào)用等部分,。其中初始化主要是判斷系統(tǒng)獲取傳感器信息，從而判定傳感器接入的串口點,，處理器運行后開始采集傳感器獲取的數(shù)據(jù),。通過系統(tǒng)進行處理之后，選擇一定量的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫,，同時遠程客戶端與管理端口從數(shù)據(jù)庫實時調(diào)用數(shù)據(jù),，然后通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲取有效的數(shù)據(jù)［8］。
系統(tǒng)在運行時首先對硬件進行初始化,，傳感器開始采集數(shù)據(jù)并由Arduino對數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換,，同時數(shù)據(jù)通過程序轉(zhuǎn)入到實時數(shù)據(jù)庫中?？蛻舳送ㄟ^網(wǎng)絡從數(shù)據(jù)庫中獲取新的數(shù)據(jù),，并且用Echarts圖表顯示在界面上，便于管理人員進行開發(fā)處理與數(shù)據(jù)信息采集［9］,，系統(tǒng)整體程序流程圖如圖4所示,。
3.2采集數(shù)據(jù)程序設計
整個系統(tǒng)涵蓋多個監(jiān)測站點，每個監(jiān)測站點對應采集溫度,、濕度、風速,、降雨量,、水流速度。整個水庫模型建立需要的最重要數(shù)據(jù)便是降雨量與水流速度,，其中溫度,、濕度、風速均是數(shù)據(jù)采集器每半小時對庫區(qū)整個生態(tài)區(qū)進行數(shù)據(jù)采集一次,。數(shù)據(jù)采集器獲取的數(shù)據(jù)可以顯示在Arduino編輯器的串口處,，每個監(jiān)測站點分布著不同的傳感器采集數(shù)據(jù)［10］。
采集過程使用串行的方法運行程序,，這樣做在時間上相對來說不同數(shù)據(jù)之間具有一定時間間隔,。鑒于系統(tǒng)采集周期長，時間間隔理想,，為使整個系統(tǒng)精準故采用串行處理模式,，這樣很好地解決了傳感器并行處理造成的系統(tǒng)數(shù)據(jù)紊亂的問題。
3.3客戶端程序設計
系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集之后存入數(shù)據(jù)庫,，客戶端通過網(wǎng)絡實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)獲?。?0］。目前客戶端最為常用的結(jié)構(gòu)分為C/S,、B/S結(jié)構(gòu),，其中研究區(qū)域?qū)嵉乇O(jiān)控中心采用C/S結(jié)構(gòu),，可以方便地獲取數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)。遠程實驗室獲取數(shù)據(jù)采用B/S結(jié)構(gòu),，可以實現(xiàn)在不同的地點直觀地獲取從研究區(qū)域傳過來的實時數(shù)據(jù),，實現(xiàn)真正的智能化。
現(xiàn)場監(jiān)測終端：客戶端設計程序根據(jù)實際需要設置多個站點的數(shù)據(jù)同時展示,，其中庫區(qū)監(jiān)測站主要是獲取數(shù)據(jù),。
Web遠程客戶端是針對遠程管理人員進行數(shù)據(jù)采集。采用客戶端可以實現(xiàn)在不同地點任意地提取數(shù)據(jù),，當然這需要足夠的管理人員權(quán)限才可以快速地獲取真實的數(shù)據(jù),，以游客身份進入客戶端只能觀看到實時數(shù)據(jù)的變化。
3.4結(jié)果分析
整個系統(tǒng)運行采集的數(shù)據(jù)通過客戶端可以實現(xiàn)實時查看,。管理人員與消費者通過不同的方式查看數(shù)據(jù),，其中部分數(shù)據(jù)圖表如圖5~圖7所示。數(shù)據(jù)采集之后通過圖形展示在客戶端,，實時地顯示數(shù)據(jù)變化趨勢,。管理人員可以對其進行分析總結(jié)從而在實際中應用，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化［11］,。
系統(tǒng)設置的站點在整個系統(tǒng)運行時不斷采集數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡實時傳送到數(shù)據(jù)庫，客戶端從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù),，并通過一定的表格形式顯示出來,，為了更好地研究數(shù)據(jù)的趨勢與效果，采用Echarts形式設計監(jiān)測界面,，實現(xiàn)可視化研究,，方便數(shù)據(jù)的挖掘與深入研究。
4結(jié)論
本文基于ArduinoEthernet開發(fā)設計了一套適用于水體流域進行數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng),。系統(tǒng)采用性能良好的傳感器,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準采集。同時系統(tǒng)在測試過程中,，狀態(tài)穩(wěn)定,，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過多重處理，通過客戶端進行顯示實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完美展現(xiàn),。管理人員充分利用其可視化及可挖掘性,，實現(xiàn)了準確預測各種信息數(shù)據(jù)的變化走向。系統(tǒng)可以人為地進行擴展,，可以應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。
參考文獻
［1］ MCROBERTS M.Arduino從基礎到實踐［M］.楊繼志,，郭敬,，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013.
?。?］ 李明亮.Arduino項目DIY［M］.北京：清華大學出版社,，2015.
［3］ 陳呂洲.Arduino程序設計基礎［M］.北京：北京航空航天大學出版社,，2015.
?。?］ 于景陽.長春電力公司用電信息采集系統(tǒng)設計［D］. 吉林：吉林大學，2015.
?。?］ 郭廣明.淺談云計算技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)中的應用［J］. 電子測試,，2016(9)：99-100.
［6］ 劉穎.物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應用及前景展望［J］.信息與電腦(理論版),， 2016(6)：26-27,69.
?。?］ 吳凌斌.基于WSN的扎龍濕地水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計［D］.齊齊哈爾：齊齊哈爾大學，2015.
?。?］ 張恩迪,李翔.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)綜合誤差研究及軟硬件設計［C］. 2015全國嵌入式儀表及系統(tǒng)技術(shù)會議程序冊,， 2015:18.
［9］ 鄭克銘,何斌.基于ICV的某大型鋼廠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［C］. 中國計量協(xié)會冶金分會2015年會論文集,，2015:261-265.
?。?0］ 吳濤,王靖宇.基于單片機的醫(yī)學信號數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設計［C］. 中華醫(yī)學會醫(yī)學工程學分會第十五次全國學術(shù)年會論文匯編， 2015:360-361.
?。?1］ 袁本華,，董錚.基于Arduino控制板的溫室大棚測溫系統(tǒng)設計［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2012,，40(8):49-50.