【IoT毕设】机智云AIoT+Arduino技术的监测系统设计
本帖最后由 Kara 于 2023-4-28 17:15 编辑【IoT毕设】机智云AIoT+Arduino技术的监测系统设计
摘要:本研究基于Arduino技术设计了一款监测系统，该系统可以检测和记录多种环境参数，包括温度、湿度、气压、二氧化碳（CO2）和溶解氧浓度等参数等。通过传感器采集数据，并利用Arduino控制器进行实时处理和分析，该系统可以通过串口或无线传输方式将数据传输到计算机或云端服务器上。
该系统可利用Wi-Fi模块将信息传送到手机APP或通过TFT屏幕进行显示，实现对各种传感器采集数据的智能监测和分析，并能发出调节各参数的处理指令。
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，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。
图1 系统设计图
2 系统硬件设计
硬件电路由Arduino UNOR3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、ESP8266 Wi-Fi通信模块等组成。
2.1 Arduino UNOR3主控芯片模块
Arduino UNOR3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 UNOR3技术指标见表1，可见，输入电压最高为12V，输入电流为20mA，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1Arduino UNOR3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 UNOR3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3.0～5.5V。防水DS18B20数字温度传感器与Arduino UNOR3连接如图2所示，可以看出，将红色条带连接至5V，将黑色条带接地，并将黄色条带连接至Arduino UNOR3的数字引脚2，还需要从数据引脚到5V处，并连接1个4.7K上拉电阻。
图2防水DS18B20数字温度传感器与Arduino UNOR3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 UNOR3的连接，如图3所示。
图3土壤湿度传感器与Arduino UNOR3的连接
2.4 溶解氧传感器模块
采用Arduino UNOR3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 UNOR3连接如图4所示。
图4 SEN0237溶解氧传感器与Arduino UNOR3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0～50000ppm。该传感器是通用、小型传感器，利用非色散红外（non-dispersiveinfraRed,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，SEN0220CO2传感器与Arduino UNOR3连接如图5所示。
图5 SEN0220CO2传感器与Arduino UNOR3连接
2.6 ESP8266 WiFi模块
ESP8266 WiFi通信模块与Arduino UNOR3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3.3V和5V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29mm×19mm,ESP8266 WiFi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 UNOR3连接如图7所示。
图7TFT1.44寸显示屏与Arduino UNOR3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 UNOR3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 UNOR3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ESP8266 Wi-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ESP8266 Wi-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、机智云物联网平台、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 UNOR3运行代码，将各传感器采集的数据传给ESP8266 Wi-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 ESP8266 Wi-Fi模块网模块数据传输程序设计
使用ESP8266 Wi-Fi模块，对串口进行简单的配置便能通过网络传输数据。ESP8266 Wi-Fi与Arduino UNOR3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ESP8266 Wi-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ESP8266 Wi-Fi和Arduino UNOR3连接在一起。这样就完成了ESP8266 Wi-Fi和Arduino UNOR3的硬件连接，之后还需在软件中让Arduino UNOR3来驱动ESP8266 WiFi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。
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