基于Arduino的水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜政隆，謝麗明，王飛飛

（平頂山學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

近年來，我國境內(nèi)出現(xiàn)暴雨的次數(shù)越來越多，所造成的經(jīng)濟(jì)損失不可估量，而且暴雨期間洪澇災(zāi)害的發(fā)生概率也大大增加。因此亟需建立一個(gè)完善的水位監(jiān)測系統(tǒng)，讓人們可以及時(shí)直觀地了解水位數(shù)據(jù)，對預(yù)防洪澇災(zāi)害有極大的幫助[1]。目前，許多地方仍采用人工水位監(jiān)測方式，個(gè)別地方雖采用了水位監(jiān)測系統(tǒng)，但還存在諸多問題，如：設(shè)備通信覆蓋不完全；受老舊設(shè)備影響，水位信息不精確；不能直觀實(shí)時(shí)分析各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)等?；诖?，本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的水位監(jiān)測系統(tǒng)，可應(yīng)用于水庫、天氣水文監(jiān)測站等實(shí)際場地，工作人員可根據(jù)需求在移動端對水位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，設(shè)置預(yù)警水位，若超出預(yù)警水位，系統(tǒng)會及時(shí)發(fā)出警告，保證民眾的安全[2]。

1 水位監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)根據(jù)所需功能主要設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端和上位機(jī)端。數(shù)據(jù)采集端有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接LCD顯示屏、水位傳感器和蜂鳴器。采用水位傳感器進(jìn)行水位數(shù)據(jù)采集、LCD顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。當(dāng)水位數(shù)據(jù)超過安全閾值時(shí)，LCD顯示屏?xí)敵鰣?bào)警信息，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。數(shù)據(jù)采集端和服務(wù)器端之間通過UDP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將水位數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。上位機(jī)端從服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中調(diào)取水位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可視化數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示功能[3]、歷史數(shù)據(jù)展示功能和超過安全閾值報(bào)警功能。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 水位監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

2 水位監(jiān)測系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

水位監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端和上位機(jī)端。設(shè)備與服務(wù)器端之間使用WiFi模塊進(jìn)行UDP通信[4]。系統(tǒng)用戶通過上位機(jī)端對水位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

圖2 水位監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊

2.1 數(shù)據(jù)采集端的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，以一個(gè)節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行說明。系統(tǒng)硬件設(shè)備的主控單元芯片采用ESPDuino芯片。在ESPDuino單片機(jī)上集成Arduino模塊和WiFi模塊，ESPDuino單片機(jī)連接MSP20水位傳感器、LCD1602顯示屏與蜂鳴器，LCD1602顯示屏顯示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的水位信息，當(dāng)水位超過安全閾值時(shí)，顯示屏?xí)@示報(bào)警信息，且蜂鳴器會發(fā)出報(bào)警。將單片機(jī)設(shè)為AP模式通過WiFi連接指定路由器，通過UDP協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端[5]。數(shù)據(jù)采集端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集端結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，將MSP20水位傳感器的測量橡膠管插入水庫或雨量筒中[6]，每隔5 s測量一次水位，水位數(shù)據(jù)顯示在LCD屏幕上。當(dāng)水位超出預(yù)設(shè)的安全閾值時(shí)，LCD屏幕顯示報(bào)警信息且通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警[7]。

數(shù)據(jù)采集端的程序設(shè)計(jì)根據(jù)Arduino的編程特點(diǎn)，分為初始化程序設(shè)計(jì)和循環(huán)程序設(shè)計(jì)。初始化程序中首先調(diào)用LiquidCrystal_I2C.h庫函數(shù)的lcd.init（）函數(shù)和lcd.backlight（）函數(shù)分別進(jìn)行顯示屏初始化和打開LCD顯示屏的背光，之后使用pinMode（）函數(shù)將連接蜂鳴器定義的引腳設(shè)為輸出模式，并通過digitalWrite（）設(shè)置蜂鳴器的初始狀態(tài)完成蜂鳴器的初始化。同時(shí)通過Serial.begin（9600）的函數(shù)調(diào)用設(shè)置串口波特率，最后調(diào)用WiFi.mode（）將WiFi設(shè)為AP模式，Udp.begin（）開始UDP端口偵聽。初始化程序流程如圖4所示。

圖4 初始化程序流程

循環(huán)程序中首先使用analogRead（）讀取A0引腳的數(shù)據(jù)，通過公式轉(zhuǎn)換成實(shí)際需要的水位數(shù)據(jù)，然后設(shè)置安全閾值判斷水位數(shù)據(jù)是否超過閾值。若超過閾值，調(diào)用lcd.print（）函數(shù)在LCD顯示屏上顯示當(dāng)前水位信息和報(bào)警信息，同時(shí)通過digitalWrite（）函數(shù)設(shè)置蜂鳴器高低電平使蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警；若沒有超過閾值則LCD屏正常顯示水位數(shù)據(jù)。最后通過設(shè)置判斷語句來判斷是否接收到上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，如果接收到信息，通過Udp.beginPacket（）、Udpwrite（）以及Udp.endPacket（）函數(shù)完成開始發(fā)送包數(shù)據(jù)、寫入包數(shù)據(jù)、結(jié)束發(fā)送包數(shù)據(jù)三個(gè)步驟。循環(huán)程序流程如圖5所示。

圖5 循環(huán)程序流程

2.2 服務(wù)器端的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器端首先建立UDP端點(diǎn)，用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包；然后通過打包數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)采集端接收到數(shù)據(jù)包就會將水位數(shù)據(jù)打包發(fā)送給服務(wù)器端；服務(wù)器端通過創(chuàng)建數(shù)據(jù)包來接收水位數(shù)據(jù)，并連接指定IP的數(shù)據(jù)庫，將水位數(shù)據(jù)存儲到指定表的指定字段中。具體流程如圖6所示。

圖6 服務(wù)器端程序流程

服務(wù)器端以jsp項(xiàng)目為主體、JAVA語言為主要編程語言。項(xiàng)目首先通過DatagramSocket（）建立UDP Socket端點(diǎn)，并 通 過 DatagramPacket（byte[]buf，int length，InetAddress address，int port）提供數(shù)據(jù)封裝打包，inport里填入節(jié)點(diǎn)的IP地址，封裝打包完成后使用send（）方法進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送，發(fā)送完成后調(diào)用close（）方法關(guān)閉資源；然后調(diào)用udpsend（）方法獲得節(jié)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)，同時(shí)調(diào)用SimpleDateFormat（）方法獲取當(dāng)前時(shí)間，取得所有所需的數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)庫插入；最后使用 Class.forName（“com.mysql.jdbc.Driver”）方法驅(qū)動DriverManager.getConnection（）取得正確的數(shù)據(jù)庫IP、數(shù)據(jù)庫用戶名和密碼后，執(zhí)行數(shù)據(jù)庫插入命令。

2.3 上位機(jī)端的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的上位機(jī)端基于HTML5、Python語言，創(chuàng)建Flask項(xiàng)目。使用route（）函數(shù)來記錄頁面路由，直接訪問所要到達(dá)的頁面，并調(diào)用pymysql.connect（）實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取節(jié)點(diǎn)水位數(shù)據(jù)以及時(shí)間數(shù)據(jù)，且當(dāng)水位數(shù)據(jù)超過安全閾值時(shí)在數(shù)據(jù)可視化展示頁面中輸出報(bào)警信息彈窗。

水位數(shù)據(jù)匯總頁面使用pymysql.connect{}連接數(shù)據(jù)庫IP和指定的表，使用datalist.append（）將數(shù)據(jù)表進(jìn)行展示，并在頁面中使用HTML5語言標(biāo)簽寫入文字進(jìn)行顯示。水位數(shù)據(jù)匯總頁面如7所示。

圖7 水位數(shù)據(jù)匯總頁面

為更直觀地看到數(shù)據(jù)變化趨勢，本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)可視化展示頁面中使用了ECharts可視化功能，將節(jié)點(diǎn)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行了可視化展示[8]。ECharts技術(shù)在本網(wǎng)頁中使用的是折線圖，通過定義option{}來設(shè)置折線圖的參數(shù)。用title{text：}設(shè)置標(biāo)題，legend{“節(jié)點(diǎn)1”，“節(jié)點(diǎn)2”}來設(shè)置兩個(gè)可以點(diǎn)擊的按鈕以顯示指定折線圖，x軸上用data：{}方法指定數(shù)據(jù)表中的字段，y軸同樣使用data：{}方法指定數(shù)據(jù)表中的字段。數(shù)據(jù)可視化頁面如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)可視化頁面

在數(shù)據(jù)可視化頁面，當(dāng)水位數(shù)據(jù)超過安全閾值時(shí)會通過彈窗進(jìn)行報(bào)警來提示工作人員。在本頁面中設(shè)置一個(gè)判斷語句，如果y軸中的數(shù)據(jù)超過指定安全閾值，使用window.open（）函數(shù)彈出一個(gè)含有報(bào)警信息的彈窗。超出安全閾值時(shí)報(bào)警頁面[9-10]如圖9所示。

圖9 水位報(bào)警頁面

3 結(jié) 語

本文的系統(tǒng)能夠有效實(shí)時(shí)地對水位數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，可以省去高額的人工成本，并加快水位信息的傳輸速度；水文系統(tǒng)的工作人員不用在各個(gè)地方手工統(tǒng)計(jì)水位信息，只需在上位機(jī)端通過網(wǎng)頁訪問進(jìn)行水位信息統(tǒng)計(jì)，也可以訪問歷史水位信息，必要時(shí)可以去監(jiān)測點(diǎn)觀測顯示屏來查看水位信息；且當(dāng)水位超出安全閾值時(shí)系統(tǒng)會自動報(bào)警，可以有效地減輕水位監(jiān)測工作人員的負(fù)擔(dān)。但系統(tǒng)硬件設(shè)備長時(shí)間安裝在潮濕環(huán)境中，會加快硬件設(shè)備的損耗，這是后續(xù)研究中需要改善的地方。