摘要：湿地是全球三大生态系统之一，在人类生活中发挥着极其重要的作用。为保护湿地生态环境，文中设计一款基于Arduino与云平台的智慧湿地监测系统。该系统融合嵌入式、物联网、大数据等多种技术，能够实时监测湿地状态，将数据传输至OneNET平台后通过API接口对接私有平台，并在私有平台上进行设备的管理与开发。经测试，系统运行稳定，较好地实现了设计功能。
关键词：智慧湿地；Arduino；实时监测；数据传输；云平台；物联网
0引言
湿地作为地球不可或缺的生态环境之一[1]，是生态系统中的重要一环，在保护地球环境与推进可持续发展过程中发挥着重要作用。近年来，物联网、大数据等信息技术迅速崛起，推动了信息化时代的发展，为生态环境保护提供了更加有效的方法。而目前湿地的监测方法较为单一，且大多使用基于有人云平台的单个设备，相对自由度较少[2]。为降低用户使用难度与开发成本，提高自由度，本文设计了基于Arduino的智慧湿地监测系统[3]。系统以Arduinomega2560单片机[4]为主体，可通过传感器将采集的信息传输到OneNET及私有平台；支持多协议、多设备、多地域接入，具有良好的开发性。
1系统总体设计
智慧湿地监测系统将Arduinomega2560单片机作为主控模块，将传感器作为数据采集模块，单片机将处理后的数据经ESP8266无线模块传送至OneNET平台，再经HTTP协议传输至私有平台。智慧湿地监测系统框架如图1所示。智慧湿地监测系统由环境数据采集设备、主控模块、通信网络、云平台组成。
1.1环境数据采集设备。该设备由温湿度传感器、酸碱度传感器、蜂鸣器、LCD显示模块等组成。其中，传感器用于采集周围环境的数据，将数字信号经过处理后发送至单片机中[5]。
1.2主控模块。本系统使用开源硬件作为核心，负责系统的信息收发、集中、存储、分析，在执行控制传感器指令的同时可完成部分运算功能。
1.3通信网络。本系统将采集到的数据进行处理后，采用RS485通信网络将数据传输至OneNET平台，并通过HTTP协议发送到独立平台进行设备管理和开发。
1.4云平台。使用移动OneNET云平台及私有平台在云端进行位置显示、数据分析，以及信息日志的调用、报警消息处理等，具有一定的独立性[6]。
2系统硬件设计
系统硬件电路如图2所示。
2.1Arduinomega2560。Arduinomega2560是基于微控制器板的开源硬件，它具有54个数字输入/输出引脚，16个模拟输入，4个UART，1个16MHz晶体振荡器和1个重置按钮。Arduinomega2560包含有支持微控制器所需的全部配件。智慧湿地监测系统中的传感器模块等连接至单片机后，可将处理好的数据发送至云平台显示，之后通过返回的控制信号控制相应的传感器及模块。
2.2温湿度传感器。DHT11是由电阻式感湿元件和NTC测温元件组成的数字温湿度传感器，它具有成本低、性能稳定、反应灵敏、信号传输距离长、精准校准等优点。此外，它在Arduino库中的信息较为完善，调用方便，无需手动解析，便于修改[7]。2.3土壤酸碱度传感器智慧湿地监测系统所用的土壤酸碱度检测传感器为RS485接口，通过标准MODBUS-RTU协议实现多点同时在线监测；采用的4探针传感器灵敏度高、稳定性强、功耗低、测量面积广、操作简单，插入土中即可使用。为实现监测点的剖面酸碱度检测，可将该传感器布置在不同深度进行检测[8-10]。
2.4蜂鸣器报警模块。蜂鸣器常被作为电子仪器中的发声装置，智慧湿地监测系统使用有源蜂鸣器。系统利用I/O口定时翻转电平驱动蜂鸣器，通过改变方波的频率及信号占空比实现不同的效果。
2.5LCD显示模块。和LED智慧湿地监测系统采用LCD1602显示模块，可实时显示经过单片机处理的数据，通过与云平台数据的对比判断数据的准确性。发光二极管（LED）是电路及仪器中常用的电子器件，它是一种半导体固体器件，能将电能转化为可见光，可通过LED的亮灭判断系统的工作状态。
2.6ESP8266无线模块。智慧湿地监测系统采用的ESP8266无线模块是一款低功耗、高集成度的WiFi芯片。它拥有完整且自成体系的WiFi网络功能，既能够独立应用，也可作为从机搭载于其他主机MCU运行。该模块集成了天线开关、射频balun、功率放大器、低噪声放大器、滤波器和电源管理模块，可应用到基于微控制器的设计中。
3系统软件设计
Arduinomega2560具有54路数字输入/输出口，4路串口，4路UART接口，15路模拟输入，1个16MHz晶体振荡器，1个ICSPheader。Arduinomega2560能兼容为ArduinoUNO设计的扩展板，使用方便，可用作本系统的中心处理器。在系统上电后，首先进行各模块的初始化，初始化无误后通过串口发送指令控制ESP8266WiFi模块进行相关操作。开机后，WiFi模块自动搜索匹配程序的名称及密码连接网络，连接成功后由中国移动OneNET进行终端接入，并通过API接口将数据传输到私有平台，对数据进行可视化处理，从而实现数据监测。系统工作流程如图3所示。
4系统测试结果
预先设定热点及密码，将单片机与PC端相连。打开手机热点，当WiFi模块连接成功后，可在OneNET平台上查看预先编辑好的设备型号及位置。打开云平台上的实时刷新按钮，可监测实时接收的数据。之后通过HTTP协议将数据传输到私有平台，即可进行设备管理，报警信息的接收处理及数据历史日志的查看、调用、分析等。位置及设备信息显示界面如图4所示，数据接收界面如图5所示，历史查看及调用界面如图6所示。
5结语
根据较长时间的测试可知，智慧湿地监测系统可实时监测传感器采集的各项数据，并准确传输至云平台。用户通过分析数据可判断湿地状况，并实现对湿地的保护。该系统搭建简便，数据查询便捷，可扩展性强，不仅可用于湿地的保护管理，也可用于花卉养殖、农业种植等领域。
作者:侯杰 杨斌 刘择准 王懿品 单位:南开大学滨海学院