庫區(qū)環(huán)境信息智能化采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾 金，雷建云

(中南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430000)

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庫區(qū)環(huán)境信息智能化采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾 金，雷建云

(中南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430000)

近幾年三維水動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)庫區(qū)系統(tǒng)的建模。數(shù)據(jù)信息采集技術(shù)隨著Arduino-Ethernet的出現(xiàn)，使數(shù)據(jù)從精準(zhǔn)采集到可控化傳送成為可能。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到所研究區(qū)域的實(shí)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(luò)技術(shù)從現(xiàn)場快速地傳送到實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫中心，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可以應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用中。

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(dú)定制的，無法實(shí)現(xiàn)通用化、開源化，造成系統(tǒng)無法及時(shí)更換新的采集器以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性[1]。

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要針對(duì)水體流域區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)需要考慮到實(shí)際應(yīng)用的簡捷程度[2]。本文所研究庫區(qū)一般處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，現(xiàn)場實(shí)地檢測十分不便，故需要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳送。如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的真實(shí)有效性是本文需要考慮的重要問題。

1 系統(tǒng)總體邏輯設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)重點(diǎn)在于如何采集數(shù)據(jù)信息，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)可控化監(jiān)控整個(gè)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(shè)計(jì)上采用多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中數(shù)據(jù)的采集是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分。在實(shí)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(jìn)行二次開發(fā)升級(jí)[4]。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)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(yùn)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(fēng)速、溫度、雨量，器材選擇采用流速、風(fēng)速、溫濕度、雨量計(jì)量器傳感器[5]。系統(tǒng)在庫區(qū)設(shè)置多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)研究區(qū)域的主要數(shù)據(jù)變化，同時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)庫。研究人員只需要從遠(yuǎn)程端口獲取需要的數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行深入的研究[6]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器簡介

風(fēng)速傳感器：Arduino風(fēng)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(shè)計(jì)，外觀質(zhì)量佳，適合數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送，同時(shí)信號(hào)輸送距離長，抗外界干擾能力強(qiáng)。

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(yīng)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(qiáng)大的適應(yīng)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(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。應(yīng)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(shí)際應(yīng)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(hào)和AO輸出電平信號(hào)，具有對(duì)抗氧化、導(dǎo)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(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用分布式模塊設(shè)計(jì)方法構(gòu)造系統(tǒng)的整個(gè)結(jié)構(gòu)布局。在各個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)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(jī)Arduino處理之后實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中[7]?，F(xiàn)場PC端獲取數(shù)據(jù)信息的同時(shí)遠(yuǎn)程Web端也可以實(shí)時(shí)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(gè)設(shè)計(jì)中充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)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。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)原理圖

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓韴D

整個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的硬件通過網(wǎng)絡(luò)與客戶端相連接。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中監(jiān)測站為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，監(jiān)測站點(diǎn)之間通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)連接，同時(shí)數(shù)據(jù)采集之后存放到數(shù)據(jù)庫中，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新?？蛻舳嗽谑褂脮r(shí)直接通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，結(jié)構(gòu)清晰，可以方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深層次的開發(fā)利用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(chǔ)、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(diǎn)，處理器運(yùn)行后開始采集傳感器獲取的數(shù)據(jù)。通過系統(tǒng)進(jìn)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(shí)遠(yuǎn)程客戶端與管理端口從數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)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(yùn)行時(shí)首先對(duì)硬件進(jìn)行初始化，傳感器開始采集數(shù)據(jù)并由Arduino對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，同時(shí)數(shù)據(jù)通過程序轉(zhuǎn)入到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。客戶端通過網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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。

圖4 程序運(yùn)行流程圖

3.2 采集數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)涵蓋多個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)對(duì)應(yīng)采集溫度、濕度、風(fēng)速、降雨量、水流速度。整個(gè)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(fēng)速均是數(shù)據(jù)采集器每半小時(shí)對(duì)庫區(qū)整個(gè)生態(tài)區(qū)進(jìn)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(gè)監(jiān)測站點(diǎn)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(yùn)行程序，這樣做在時(shí)間上相對(duì)來說不同數(shù)據(jù)之間具有一定時(shí)間間隔。鑒于系統(tǒng)采集周期長，時(shí)間間隔理想，為使整個(gè)系統(tǒng)精準(zhǔn)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(shè)計(jì)

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(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)獲取[10]。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(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室獲取數(shù)據(jù)采用B/S結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)在不同的地點(diǎn)直觀地獲取從研究區(qū)域傳過來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)真正的智能化。

現(xiàn)場監(jiān)測終端：客戶端設(shè)計(jì)程序根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置多個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)同時(shí)展示，其中庫區(qū)監(jiān)測站主要是獲取數(shù)據(jù)。

Web遠(yuǎn)程客戶端是針對(duì)遠(yuǎn)程管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用客戶端可以實(shí)現(xiàn)在不同地點(diǎn)任意地提取數(shù)據(jù)，當(dāng)然這需要足夠的管理人員權(quán)限才可以快速地獲取真實(shí)的數(shù)據(jù)，以游客身份進(jìn)入客戶端只能觀看到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化。

3.4 結(jié)果分析

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行采集的數(shù)據(jù)通過客戶端可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查看。管理人員與消費(fèi)者通過不同的方式查看數(shù)據(jù)，其中部分?jǐn)?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(shí)時(shí)地顯示數(shù)據(jù)變化趨勢。管理人員可以對(duì)其進(jìn)行分析總結(jié)從而在實(shí)際中應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化[11]。

圖5 流域年均降雨量圖

圖6 流域周氣候變化圖

圖7 流域水體速度日變化圖

系統(tǒng)設(shè)置的站點(diǎn)在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不斷采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)監(jiān)測界面，實(shí)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Arduino-Ethernet開發(fā)設(shè)計(jì)了一套適用于水體流域進(jìn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集。同時(shí)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(jìn)行顯示實(shí)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(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確預(yù)測各種信息數(shù)據(jù)的變化走向。系統(tǒng)可以人為地進(jìn)行擴(kuò)展，可以應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

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Design of intelligent environmental information collection system in reservoir

Zeng Jin,Lei Jianyun

(College of Computer Science,South-Central University for Nationalities,Wuhan 430000,China)

In recent years, the three-dimensional hydrodynamic model of water resources is becoming more and more mature, through the data acquisition of large reservoir area, using the data mining technology can realize the modeling of the entire reservoir system. With the advent of information technology data collection Arduino-Ethernet, which makes it possible to realize the data from precision acquisition to controlled transfer. The system has taken into account the actual circumstances of the research area, the sensor used are compatible with Arduino-Ethernet. After data collection, the data can be transferred quickly from the scene to the laboratory database centers through the network technology, and the processed data can be applied into practical application.

Arduino-Ethernet; intelligent; sensor

TP399

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.21.026

曾金，雷建云. 庫區(qū)環(huán)境信息智能化采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(21)：85-87.

2016-07-03)

曾金(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其與硬件的結(jié)合、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

雷建云(1972-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程及安全。