杏彩官方登陆:一种防风固沙装置的数据采集显示功能设计

　　目前，我国的沙漠及荒漠化面积仍然较大，沙漠地带的植被种植情况并不能够被很好地监测。针对这一问题，设计了一种防风固沙装置，该装置的核心为

　　2005年8月，时任浙江省委的习同志在浙江安吉县余村调研时，首次提出“绿水青山就是金山银山”的重要论述。当前，荒漠化是世界各地都面临的重大环境问题[1]，尤其是在我国西北地区，沙漠覆盖面积较大，已经严重影响到居民的正常生活。为了解决这一问题，很多组织机构都在积极尝试、开展沙漠绿化工作，逐步种植了一些具有固沙作用的植被，起到了一定的作用。但在种植过程中，缺少对环境、土壤、植被等的数据监测，或数据监测的种类较为单一[2]，导致植被的存活率较低，达不到理想的覆盖效果。因此，本文设计了一种防风固沙装置的数据采集及显示系统，通过风速监测模块、土壤湿度监测模块、环境温湿度监测模块实现较为全面的数据采集，并提供了水箱水位监测功能，可以根据存水量及时补充植被的用水需求，系统采集的所有数据都可以实时显示在本地屏幕上，便于监测查看。

　　系统总体方案设计如图1所示，本系统主要由Arduino UNO系列主板及其扩展板、9V电源（后期扩展方案可以引入太阳能板及电源管理模块进行供电）、显示模块、土壤湿度监测模块[3]、温湿度模块、风速模块、水箱水位监测模块、水箱抽水泵组成。

　　本文使用较为常见且性价比高的Arduino UNO开源电路板作为核心，其具有12个可用数字量输入/输出引脚、5个量输入引脚，可以配接较多的传感器模块及执行单元，也便于后期对系统进行功能性扩展；其配套的程序软件Arduino IDE界面较为友好，程序编写更加方便，可以快速调用一些经过验证的稳定的库文件。同时，为了减少接线的数量，采用了UNO扩展板，如图2所示，其具备多路电源及接地引脚，改善了传统面包板占位较大且接线温

　　DHT22温湿度传感器模块具有标准单总线拥有更高的精度和更大的量程，该传感器模块含有已校准数字信号输出的

　　式温湿度传感器和热敏电阻来测量周围空气，可靠性及稳定性优异，其温度监测范围在-40～80℃，可以较好地在严酷的环境条件下长期工作。模块具备三个引脚，极大程度上降低了主控电路板的信号引脚占用，在程序编写过程中，也可以使用稳定的库文件，快速调用库函数，实现数据采集功能。2.3 风速模块

　　本模块采用的是三杯式机械风速传感器，通过空气流动产生的风力推动测量杯体转动，进而将转动力传递给传感器主轴，带动内部小型电机产生电压模拟信号，其电压基本和旋转速度成正比，以此获取环境风速数据，电压信号与风速的计算公式为：风速F（单位为m/s）=0.027×电压U（单位为mV）。该模块使用ABS工程塑料壳体，抗腐蚀性较强，可长期在户外使用。

　　本次设计考虑在植被种植处附近集中安设地下水箱，和供水管道相连接，实现两个功能：（1）当植被所处的土壤环境湿度不足时，启动继电器，使供水泵工作，将水箱内的存水输送到土壤中，提高土壤的水含量；（2）在水箱中设有水位监测模块，一旦储水量低于预设值，则提示水位过低，需要打开供水管道进行蓄水，蓄水的目的是确保浇灌的水流温度和环境温度基本相符合，在给植被土壤补充水分时不会因为温差过大而影响植被生长。

　　屏幕显示部分，选用的是基于模式的1.3寸OLED显示屏模块，相比SPI模式，该模块占用引脚少、成本低，单页显示内容较多，可以方便地进行中英文、数字、图形图像等的清晰、准确显示。在本次设计中，中文字符显示大小为12×12像素，英文及数字字符调用U8glib库，字体大小设置为u8g_font_6x13。

　　系统硬件接线所示，接线所示。将扩展板焊接上排针后，对应引脚重叠插到Arduino UNO开源电路板上，9 V电源接入主电路板或者扩展板。抽水泵和继电器连接串入电路中，确保条件不足时继电器不工作，抽水泵电路断路。继电器模块、温湿度模块、水位传感器、OLED屏幕的供电，接地引脚与扩展板上的多路供电和接地引脚连接，提供5 V供电电压。风速传感器负极与扩展板任一GND

　　连接，正极接入扩展板A0端口，水位传感器数据端口与扩展板A1端口连接，土壤湿度传感器数据端口与扩展板A2端口相连，获取模拟量数据。环境温湿度传感器DAT端与扩展板数字I/O端口3连接，继电器IN端与扩展板数字I/O端口2连接，OLED屏幕SCL、SDA端口与扩展板SCL、SDA端口相连，用于中英文字符及采集数据的传输显示。4 软件设计

　　系统软件设计流程图如图5所示，首先开机上电，系统进行初始化，完成后，进入实时监测状态，系统从温湿度传感器（使用数字引脚输入）获取环境温湿度数据，利用风速传感器、水位传感器、土壤湿度传感器（使用模拟引脚输入）获取实时风速、水箱水位及土壤湿度数据，显示效果如图6所示。在程序编写时，对土壤湿度数据进行分析，将采集值利用map()函数转化至0～100范围，低于设定值20时，启动继电器开启抽水泵；同理进行水位数据的读取与转换，低于预设值时，显示水位过低，提示增加蓄水量；对于风速的采集，主要用于后续机械防风装置的扩展设计，风速过大，启动机械装置将表层土壤保护起来。

　　在数据的实时采集过程中需要注意，为了防止数据的采集显示频率超出OLED屏幕的刷新率，导致OLED屏幕显示不完整，需要对实时采集的数据进行分组，对一定时间内的多组数据取平均值，再显示在屏幕上。

　　系统连接完成后对软硬件进行功能测试，经过实际检测，本系统的检测效果良好，能够实时采集传感器监测的数据并进行稳定显示，设计使用的传感器模块接线方便，占用主电路的引脚较少，性价比较高，便于后期增加附属功能。本文完成了系统的硬件搭建与选型，对软件功能设计进行了较为详细的过程叙述，提供了清晰的设计思路与实现路径，可以为相关设计提供有效参考。