曾金，雷建云
（中南民族大學 計算機科學學院，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)挖掘等技術可以實現(xiàn)對整個庫區(qū)系統(tǒng)的建模。數(shù)據(jù)信息采集技術隨著ArduinoEthernet的出現(xiàn)，使數(shù)據(jù)從精準采集到可控化傳送成為可能。該系統(tǒng)在設計時充分考慮到所研究區(qū)域的實際環(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絡技術從現(xiàn)場快速地傳送到實驗室數(shù)據(jù)庫中心，數(shù)據(jù)經過處理可以應用于實際應用中。
關鍵詞：Arduino Ethernet；智能化；傳感器
0引言
數(shù)據(jù)采集技術目前很成熟，但是在特定領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)采集器在很多領域均是單獨定制的，無法實現(xiàn)通用化、開源化，造成系統(tǒng)無法及時更換新的采集器以保證數(shù)據(jù)的真實性［1］。
本系統(tǒng)在設計時主要針對水體流域區(qū)域進行設計，同時需要考慮到實際應用的簡捷程度［2］。本文所研究庫區(qū)一般處于偏遠地區(qū)，現(xiàn)場實地檢測十分不便，故需要采用物聯(lián)網技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳送。如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的真實有效性是本文需要考慮的重要問題。
1系統(tǒng)總體邏輯設計
系統(tǒng)重點在于如何采集數(shù)據(jù)信息，再進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)可控化監(jiān)控整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化［3］。其中系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示。
系統(tǒng)在整體設計上采用多層次結構設計，其中數(shù)據(jù)的采集是整個系統(tǒng)的重要部分。在實現(xiàn)過程中使用模塊化結構，模塊化結構便于系統(tǒng)進行二次開發(fā)升級［4］。系統(tǒng)在設計上綜合各種因素，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、風速、溫度、雨量，器材選擇采用流速、風速、溫濕度、雨量計量器傳感器［5］。系統(tǒng)在庫區(qū)設置多個監(jiān)測點，實現(xiàn)實時監(jiān)控整個研究區(qū)域的主要數(shù)據(jù)變化，同時采集的數(shù)據(jù)通過網絡實時傳送到數(shù)據(jù)庫。研究人員只需要從遠程端口獲取需要的數(shù)據(jù)就可以進行深入的研究［6］。
2硬件設計
2.1傳感器簡介
風速傳感器：Arduino風速傳感器體積小，攜帶方便,其測量精度高，穩(wěn)定性好。在結構上其采用模塊化設計，外觀質量佳，適合數(shù)據(jù)的遠程傳送，同時信號輸送距離長，抗外界干擾能力強。
水速傳感器：Water Flow Sensor是一款水流傳感器，主要由塑料閥體 、水流轉子組件和霍爾傳感器組成。其可應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，葉輪內部鑲有不銹鋼珠，永久耐磨，具有強大的適應性，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數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，使得其在實際應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)轉換成數(shù)字信號和AO輸出電平信號，具有對抗氧化、導電性及壽命方面更優(yōu)越的性能。
2.2系統(tǒng)硬件結構設計
本系統(tǒng)采用分布式模塊設計方法構造系統(tǒng)的整個結構布局。在各個監(jiān)測站點建立數(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，經過開源單片機Arduino處理之后實時數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中［7］?，F(xiàn)場PC端獲取數(shù)據(jù)信息的同時遠程Web端也可以實時接收到數(shù)據(jù)，并且用最優(yōu)化的方法顯示其變化的趨勢，系統(tǒng)在整個設計中充分利用物聯(lián)網技術實現(xiàn)系統(tǒng)智能化地監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)變化，其系統(tǒng)結構原理圖如圖2所示。
2.3系統(tǒng)網絡拓撲圖設計
整個系統(tǒng)在設計上充分利用物聯(lián)網技術，系統(tǒng)網絡拓撲圖如圖3所示。系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的硬件通過網絡與客戶端相連接。在整個網絡拓撲圖中監(jiān)測站為數(shù)據(jù)采集點，監(jiān)測站點之間通過交換機實現(xiàn)連接，同時數(shù)據(jù)采集之后存放到數(shù)據(jù)庫中，并實現(xiàn)實時更新。客戶端在使用時直接通過網絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取。整個網絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳送，結構清晰，可以方便對系統(tǒng)進行深層次的開發(fā)利用。
3系統(tǒng)軟件設計
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，處理器運行后開始采集傳感器獲取的數(shù)據(jù)。通過系統(tǒng)進行處理之后，選擇一定量的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫，同時遠程客戶端與管理端口從數(shù)據(jù)庫實時調用數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)挖掘技術獲取有效的數(shù)據(jù)［8］。
系統(tǒng)在運行時首先對硬件進行初始化，傳感器開始采集數(shù)據(jù)并由Arduino對數(shù)據(jù)進行格式轉換，同時數(shù)據(jù)通過程序轉入到實時數(shù)據(jù)庫中?？蛻舳送ㄟ^網絡從數(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)程序設計
整個系統(tǒng)涵蓋多個監(jiān)測站點，每個監(jiān)測站點對應采集溫度、濕度、風速、降雨量、水流速度。整個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、風速均是數(shù)據(jù)采集器每半小時對庫區(qū)整個生態(tài)區(qū)進行數(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，每個監(jiān)測站點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行程序，這樣做在時間上相對來說不同數(shù)據(jù)之間具有一定時間間隔。鑒于系統(tǒng)采集周期長，時間間隔理想，為使整個系統(tǒng)精準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客戶端程序設計
系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集之后存入數(shù)據(jù)庫，客戶端通過網絡實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)獲取［10］。目前客戶端最為常用的結構分為C/S、B/S結構，其中研究區(qū)域實地監(jiān)控中心采用C/S結構，可以方便地獲取數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)。遠程實驗室獲取數(shù)據(jù)采用B/S結構，可以實現(xiàn)在不同的地點直觀地獲取從研究區(qū)域傳過來的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)真正的智能化。
現(xiàn)場監(jiān)測終端：客戶端設計程序根據(jù)實際需要設置多個站點的數(shù)據(jù)同時展示，其中庫區(qū)監(jiān)測站主要是獲取數(shù)據(jù)。
Web遠程客戶端是針對遠程管理人員進行數(shù)據(jù)采集。采用客戶端可以實現(xiàn)在不同地點任意地提取數(shù)據(jù)，當然這需要足夠的管理人員權限才可以快速地獲取真實的數(shù)據(jù)，以游客身份進入客戶端只能觀看到實時數(shù)據(jù)的變化。
3.4結果分析
整個系統(tǒng)運行采集的數(shù)據(jù)通過客戶端可以實現(xiàn)實時查看。管理人員與消費者通過不同的方式查看數(shù)據(jù)，其中部分數(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，實時地顯示數(shù)據(jù)變化趨勢。管理人員可以對其進行分析總結從而在實際中應用，以實現(xiàn)經濟效益最大化［11］。
系統(tǒng)設置的站點在整個系統(tǒng)運行時不斷采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過網絡實時傳送到數(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形式設計監(jiān)測界面，實現(xiàn)可視化研究，方便數(shù)據(jù)的挖掘與深入研究。
4結論
本文基于ArduinoEthernet開發(fā)設計了一套適用于水體流域進行數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)。系統(tǒng)采用性能良好的傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準采集。同時系統(tǒng)在測試過程中，狀態(tài)穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)經過多重處理，通過客戶端進行顯示實現(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，實現(xiàn)了準確預測各種信息數(shù)據(jù)的變化走向。系統(tǒng)可以人為地進行擴展，可以應用于工農業(yè)生產，實現(xiàn)經濟效益最大化。
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