基于Arduino的环境监测系统开题报告

全文总字数：3550字

1. 研究目的与意义

随着科学技术的不断进步，智能化与物联网逐渐渗透到各个行业。在林业生产过程中，为了更有效地检测周围环境的变化并对其进行实时分析和控制，传统的人工检测和防护等环境监测概念发生了变化，传统的环境检测方式耗时费力。建立基于物联网的数字环境检测网络和实时可控平台已成为环境检测系统研究的必然。智能环境监测融入了物联网技术，并与无线通信技术和嵌入式技术相结合，智能控制和管理各类传感器的数据采集，传输和分析。它满足了环境监测平台手动操作的简单和智能要求。因此本次设计就是为了设计出一款操作简单、适具有普遍适用性、编译环境简单的监测平台。在林业的发展过程中，自动检测人工林或树木丛周边的环境，包括湿度和温度，这对树木的生长具有很重要的研究意义。为了更有效地发现周围环境的变化并实时分析和控制，本次的环境监测系统改变了环境监测的概念（例如传统的人工检查和岗亭），建立起基于物联网的数字环境检测网络和实时可控平台。在以Arduino芯片为核心的设计处理系统中，对信息进行数字化处理，利用无线通信技术，计算机技术等对信号进行传输和处理，并与网络终端、主机连接，实现智能监控和管理。最终达成远程环境实时监控，各种环境参数的实时监测与处理，节约了大量人力物力，缩短了对数据统计监测的时间[1]。

2. 国内外研究现状分析

国内发展：在2016年，国家林业局发布了关于促进中国林业物联网发展的指导意见。指导意见提出了新的应用模式，即林业物联网建设。主要目的是构建物联网跨地域、集成化、规模化的应用系统。加强基础设施建设，提高信息收集和传播能力，促进林业智能可持续快速发展。我们将建立一个比较完整的林业物联网技术创新，标准化，安全管理系统，加强实时的，高效率，稳定性和林业建设的可靠性，全面提高林业现代化水平。在国内，遥感、定位等卫星技术得到广泛应用。3 S技术已成为主流信息技术，广泛应用于林业资源调查与监测，生态工程勘察设计，造林工作验证，森林火灾监测与预警，森林病虫害防治等业务领域。但是，仍然缺乏顶级设计，而且系统性和规模化应用程序较少。存在技术瓶颈，缺乏符合林业现场环境要求的传感设备，网络设备，安全设备及相关应用标准[2]。国内对于林业环境的监测主要采用3S技术，以3S技术应用为主体，以红外感应、无人机、多功能智能终端等技术为补充，结合地面抽样调查，建立了基于云计算架构的林业资源数据仓库。利用大数据技术深入分析掌握森林、湿地等林业资源[3-4]。对于用于环境监测的系统，采用的多为WIFI和Zigbee作为通讯方式。每个节点模块收集节点温度和湿度（传感器节点负责收集不同位置的状态信息，包括节点温度，湿度和其他信息，数据传输到 WIFI或者Zigbee协调器，并将 WIFI或者Zigbee协调器放置在移动小车上，通过串口与单片机进行通讯。传感器节点通常包括传感器，嵌入式处理器和无线收发器模块。无线传感器网络通过节点之间的协作来收集和处理网络覆盖区域中的状态信息并且具有较大的规模、自组织、动态、可靠和以数据为中心的特性[5]。此外，国内一些公司或个人团体也开发了许多产品与系统。例如：（1）3S应用系列：吉林森林工业的森林之眼森林火灾监测预警系统、独立的环境监测站（2）GPRS移动网络系列：苍汉数码的定位移动智能终端、中国电信集团的基于5G技术的无线覆盖解决方案、神州数码的定位传感器管理软件

国外发展：传统的林业传统实地调查传统上使用纸张作为记录数据的媒介。近年来，随着微电子技术的发展，一些发达国家的市场出现了一些现场电子数据设备（简称EDR）[6]。该装置采用直流电源，控制器采用微处理器，采用液晶显示屏显示，携带方便，操作简单。使用EDR，数据可以在实地调查的同时输入到临时存储器中。如果编程正确，EDR还可以在现场执行数据检查和预处理。2011年，美国在大陆范围内启动了国家级生态观测站网络，研究从区域到大陆的重要生态问题。网络计划基于传感器网络和卫星遥感技术，并部署了由大约15000个传感器和若干个空间卫星节点组成的一个空间观测网络。为了科学家在未来30年左右大规模收集500种主要生态系统的数据，包括土壤，水，植物和小型哺乳动物，用于土地利用和碳汇监测等工作的分析和使用。2005 年瑞典提出2025 年林业机械的愿景为机器上没有人,操作把手上没有手。为此瑞典于默奥大学提出了自主林业车辆系统,将远程计算机和移动计算机通过WLAN连接,分别完成传感信息处理等低层任务和路径跟踪与用户界面等高层任务,传感器包括定位( 卫星导航、激光测距、轮测距、陀螺仪) 、障碍物检测( 激光扫描、雷达) 、路径跟踪等[5-6]。在生态环境监测方面，国外M. Lpez 等人设计了一个无线传感器的实际应用测量鱼塘的pH，NH4和温湿度。他们设计了两个模块：传感器模块和无线模块。传感器模块包括由ISFET 专门设计的pH值和NH4传感器。传感器模块收集数据，并通过 9600 b/s 的异步有线通信的装置将该信息发送到无线模块。无线模块，通过RF转发数据到中央单元。该无线传感器网络遵循的IEEE 802.15.4 标准，并实现了一个基于Zig Bee的路由协议[7]。Siuli Roy等人应用无线传感器开发一个基于 Web 的图形用户界面来有效地管理栖息地污染的数据[8]。

3. 研究的基本内容与计划

1、研究内容： （1）本课题目主要以arduino uno r3芯片作为核心微处理器，arduino不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开发的趋势。arduino语言基于wiring语言开发，是对 avrgcc库的二次封装，不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习后，就可以快速的进行开发，这对最终设计出来的产品使用者相当友好。对于传感器方面，拟采用dht11温湿度传感器，可以测量20%-95%的湿度范围（误差不超过5%）以及0-50℃（误差不超过5%）的温度，bh1750光照强度传感器测量实时光照强度和gy8511紫外线强度传感器。因为这里主要处理的林地处于常规情况，不需要特别的传感器，非极端恶劣环境，如果由环境需要，可以更换其他测量范围的传感器。采用的显示液晶屏选用lcd12864液晶显示屏，液晶屏实时显示其他传感器所测量的实时数值。（2）现在各种无线网络技术标准被制定出来，各种无线通讯模块也层出不穷。如 zig bee 技术、蓝牙技术、红外线数据通信、wi-fi 技术、超宽频技术（uwb）、近距离无线传输（nfc）等。我们这里拟采用gsm模块，其中的数据传输模块为gprs，可以远程传输数字数据信息，将数据传输到网站上[2]。（3）在pc计算机上，通过visual studio软件，利用c#编程语言进行显示窗口可执行文件的编程，使数据在网站上接收后，通过计算机编写的程序与网站对接，可以清晰明确有调理的在显示程序上显示，并且所接收到的数据随着时间变化而不断变化。预期结果为，上位机上显示数据能够随着时间变化而跟随变化，且与液晶屏上所显示的数据相一致。（4）流程图 先由无线模块监测无线传输环境是否异常，在无线环境正常的情况下，各传感器开始检测环境参数。arduino核心板收集参数，并通过oled显示屏实时显示。然后sim900a无线传输模块将收集的参数通过gprs发送至上位机。在计算机上编写网页，用于接收无线模块发送的参数并显示与存储。如下图，图2所示

图2

2、设计日程规划：2018.01.08－2018.02.10阅读各种文献，了解环境监测系统、无线通信以及采集环境数据的传感器的发展与现状，完成文献综述初稿；

4. 研究创新点

(1)本设计采用Arduino芯片，编程环境简单，操作便捷，适用性更强(2)采用Visual Studio设计用于windows的上位机显示界面，使动态数据显示更加清晰、明确(3)结合物联网技术，可以作为物联网环境监测平台下的移动监测设备