曾金，雷建云
?。ㄖ心厦褡宕髮W(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)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(shí)現(xiàn)對整個(gè)庫區(qū)系統(tǒng)的建模。數(shù)據(jù)信息采集技術(shù)隨著ArduinoEthernet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。
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(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)
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［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)字信號和AO輸出電平信號，具有對抗氧化、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。
2.3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)
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。客戶端在使用時(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、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)首先對硬件進(jìn)行初始化，傳感器開始采集數(shù)據(jù)并由Arduino對數(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?？蛻舳送ㄟ^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。
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(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］。
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ArduinoEthernet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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