基于Arduino技术的监测系统设计

秦迎春

（广东白云学院电气与信息工程学院 广东 广州 510450）

0 引言

桑基鱼塘系统作为一个特殊的复合农业生态系统，逐渐受到更多人的重视。传统的桑基鱼塘已不再适应国家现代化战略的发展，全球新一轮科技革命、产业变革方兴未艾，智联网、云计算等新一代信息技术加快应用，深刻改变了生产生活方式，引发经济格局和产业形态深度变革，形成发展数字经济的普遍共识。大数据成为基础性战略资源，新一代人工智能成为创新引擎。本文设计可将传统的桑基鱼塘农业向着智慧农业、数字农业转型，其顺应国家发展战略趋势。随着智能技术的发展，旧桑基鱼塘改造的监测系统设计还将实现更多的智能应用，以提高产品增值性，增加其实用性[1]，基塘改造也会成为农业生产的一个发展热点。。

1 系统总设计

本文以Arduino UNO开发板为核心，将温度、湿度、二氧化碳（CO2）、溶解氧浓度通过传感器采集数据发送到微处理器上，并对数据进行分析处理显示到LCD屏幕上，当采集的数据超标时发出报警信号（图1）。该设计还可以使用智能手机与ESP8266Wi-Fi模块，通过无线通信技术（Wi-Fi）连接机智云平台服务器，将数据传输给硬件主控电路，下发控制指令实现手机端远程监测，从而达到智能监测桑基鱼塘的目的[2]。

图1 系统设计图

2 系统硬件设计

硬件电路由Arduino UNO R3开发板、温湿度传感器模块、数据采集模块、溶解氧传感器模块、CO2传感器、复位模块、显示模块、ESP8266Wi-Fi通信模块等组成。

2.1 Arduino UNO R3主控芯片模块

Arduino UNO R3主控芯片稳定可靠，且上传程序也很简单，用串口线连接通用的USB2.0或USB3.0接口即可，同时也可以通过USB接口供电，这样可以使得在上传程序的同时不用考虑供电的问题。Arduino UNO R3技术指标见表1[3]，可见，输入电压最高为12 V，输入电流为20 mA，普通充电宝和适配器就可以满足，尺寸较小，方便安装和排布，该芯片功能强大稳定可靠。

表1 Arduino UNO R3技术指标

2.2 温度传感器模块

采用防水DS18B20数字温度传感器进行温度的测量，其输出的是数字信号，具有体积小、硬件开销低，抗干扰能力强，精度高等特点。DS18B20在与Arduino UNO R3连接时仅需要一条口线即可实现双向通信，其的工作电压为3.0～5.5 V。防水DS18B20数字温度传感器与Arduino UNO R3连接如图2所示，可以看出，将红色条带连接至5 V，将黑色条带接地，并将黄色条带连接至Arduino UNO R3的数字引脚2，还需要从数据引脚到5 V处，并连接1个4.7 K上拉电阻。

图2 防水DS18B20数字温度传感器与Arduino UNO R3的连接

2.3 土壤湿度传感器模块

采用SEN0114土壤湿度传感器，用于检测土壤的水分。当土壤缺水时，传感器输出值将减小，反之将增大。土壤湿度传感器与Arduino UNO R3的连接，如图3所示[4]。

图3 土壤湿度传感器与Arduino UNO R3的连接

2.4 溶解氧传感器模块

采用Arduino UNO R3兼容的SEN0237溶解氧传感器，用于测量水中的溶解氧含量，反映水质状况。俗话说，“养鱼先养水，好水养好鱼。”良好的水质，对水生物非常重要，溶解氧就是反应水质好坏的重要参数之一。水中的溶解氧数值一旦过低，会造成水生物呼吸困难，并对其生存造成威胁。SEN0237溶解氧传感器简单易用，兼容性强，溶解氧电极为原电池型电极，无须极化时间随用随测。信号转接板具有工作电压宽、连线方便、即插即用等特点，可方便地接入到现成的控制系统中使用，SEN0237溶解氧传感器与Arduino UNO R3连接如图4所示[5]。

图4 SEN0237溶解氧传感器与Arduino UNO R3连接

2.5 CO2传感器模块

采用DFRobot新推出的高精度大量程红外SEN0220为CO2传感器，其有效量程可达0～50 000 ppm。该传感器是通用、小型传感器，利用非色散红外（non-dispersive infraRed，NDIR）原理对空气中存在的CO2进行探测，并且内置温度补偿，使用串口便可读取当前CO2气体浓度，使用非常简单，兼容各类单片机和传感器，SEN0220 CO2传感器与Arduino UNO R3连接如图5所示。

图5 SEN0220 CO2传感器与Arduino UNO R3连接

2.6 ESP8266WiFi模块

ESP8266WiFi通信模块与Arduino UNO R3之间采用8位异步串口通信，并且内置了TCP/IP网络协议栈。ESP8266模块支持TTL串口，具有完全兼容3.3 V和5 V无线连接控制环境，可较好地与单片机或其他电子设备进行实时无线连接。此模块通常共有3种主要的网络配置模式：STA配网模式、AP配网模式、STA+AP配网模式。ESP8266模块非常小巧，面积大约为29 mm×19 mm，ESP8266WiFi接口原理如图6所示。

图6 ESP8266WiFi接口原理

2.7 TFT1.44寸显示屏模块

采用TFT1.44寸显示屏，该显示屏亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳，分辨率为128像素×128像素，工作温度为-20～70 ℃，显示模式为全彩，连接方式为焊接插接连接器，TFT1.44寸显示屏与Arduino UNO R3连接如图7所示。

图7 TFT1.44寸显示屏与Arduino UNO R3连接

2.8 阈值设置及报警

系统通过程序对阈值进行设置，报警程序就是控制LED和蜂鸣器。它们均使用Arduino UNO R3的IO推挽输出。当逻辑判断到温湿度、溶解氧、CO2不在阈值范围内，则通过对应的IO输出高低电平。

3 系统软件设计

在Arduino IDE环境下进行软件开发，同时使用了该公司官方提供的标准库进行程序编写。系统设计的功能是分别对温湿度、溶解氧、CO2实施实时动态采集效果，能较为准确地显示各传感器的数据。软件系统的组成由数据库的加载选择、运行实例程序、数据库的使用、使用各传感器收集信息、Arduino UNO R3开发板处理信息等。系统软件控制程序流程图如图8所示。

图8 系统软件控制程序流程

3.1 机智云的环境搭建

系统通过ESP8266Wi-Fi模块与机智云的云端进行通信，智能桑基鱼塘实现远程控制图如图9所示。在机智云平台设置一个新产品，在两者建立通信之前，需要将ESP8266Wi-Fi模块烧录机智云GAgent固件。首先，在智能云平台上下载相应的GAgent固件包，GAgent主要的作用是数据转发，是设备数据、机智云、应用端（APP）的数据交互桥梁。然后，用USB转串口进行烧录，烧录使用官方提供的flash_download_tools_V1软件将固件烧录后，编写Arduino UNO R3运行代码，将各传感器采集的数据传给ESP8266Wi-Fi模块，配置网络信息，并编写对应的APP程序，通过手机端呈现给用户。

图9 智能桑基鱼塘实现远程控制图

3.2 ESP8266Wi-Fi模块网模块数据传输程序设计

使用ESP8266Wi-Fi模块，对串口进行简单的配置便能通过网络传输数据。ESP8266Wi-Fi与Arduino UNO R3连接完成后，使用AT指令来调试Wi-Fi。AT指令是在终端设配与PC应用程序之间的连接与通信，即定义好的一个特殊指令，可表达特殊指令的字符串。需要注意的是，每条AT命令中只能包含一条AT指令，如：A发送“回家了”，B在收到该内容之后，就会相应的回复“知道了”。如果想要执行命令的话，只需要在AT指令后面加上“=+相应参数”即可。如，想要将当前模式设置成为正常模式，可写为“AT+MODE=NORMAL”。对于一些没有参数的指令，则可以不需要添加参数。如，复位命令（AT+RESET）就不需要添加参数。

在确定好ESP8266Wi-Fi工作的模式为STA（在STA模式下，ESP8266能够连接到Wi-Fi）后，就可以通过串口将ESP8266Wi-Fi和Arduino UNO R3连接在一起。这样就完成了ESP8266Wi-Fi和Arduino UNO R3的硬件连接，之后还需在软件中让Arduino UNO R3来驱动ESP8266Wi-Fi完成传输数据的功能。

4 结语

综上所述，从传统桑基鱼塘的管理难度大、管理时间长、管理人员多3个弱点进行攻破，提出通过温度、湿度、溶解氧浓度、CO2、pH值数据的采集与调节，将传感器、自动化控制、无线通信、计算等技术集于一体，设计了能够应用于水产养殖业的反馈增氧系统、农田种植业的温度、湿度自动调节的基塘系统。该设计具有结构稳定、精度高、高可靠性、灵活、易安装等特点，从而达到提高桑基鱼塘生产效率，缩短管理的时间，节约人力成本的目的，将桑基鱼塘打造成一个自动化、智能化的现代绿色基塘。