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(wèn)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(wèn)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(guò)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(guò)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、9V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.lArduino 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ArduinoIDE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(guò)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(wèn)題。

2.2DHT22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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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^(guò)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I2C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一fot6x13。

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,9V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5V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(guò)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(guò)大,啟動(dòng)機(jī)械裝置將表層土壤保護(hù)起來(lái)。

在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集過(guò)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(guò)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(guò)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。