基于Arduino的农村气象监测

农村地区基于Arduino的气象监测系统的设计与实现

摘要

天气监测系统是一种利用传感器测量和记录气象参数的仪器。该传感器作为测量仪器，用于测量天气的每一项变化。传感器输出的数据将被发送到Web服务器，以便需要天气数据的用户或人员进行访问。来自温度传感器、空气湿度、风向风速以及气压的数据由微控制器处理，并通过蜂窝网络发送至Web服务器。Web服务器上显示的数据是根据传感器发送的数值生成的图表。本研究首先对Arduino Uno、以太网扩展板、BMP180传感器、DHT11传感器、风向风速套件、无线路由器和3G网络调制解调器等设备进行了文献研究，并从硬件和软件的设计与制作开始实施。在通信系统实验室中进行的测试包括：使用BMP180传感器进行气压测试，使用DHT11传感器进行温湿度测试，对风速风向套件进行测试，使用无线路由器和3G网络调制解调器进行数据传输测试，以及对所有设备的整体测试。通过系统设计与测试得出结论：基于Arduino的自动气象监测设备在3G蜂窝网络上具有良好的灵活性和精确性，因为该设备可安装于多种场所，尤其是在农村地区。传感器的数据输出可通过Thingspeak.com网站进行监控，因此用户无需亲自前往设备安装地点进行实地监测。

索引词— 天气监测系统, Web服务器, Arduino, 蜂窝网络.

一、引言

这些气象要素数据对于了解一个地区的气候学非常有用，从而使人类能够根据自身需求利用天气状况。其中之一是用于具有稻田或种植园区域的农村地区的天气状况。
气象数据还可用于减少甚至避免恶劣天气带来的风险。
自动气象系统是一种利用传感器测量和记录气象参数的仪器。该传感器作为测量工具，用于测量任何天气变化。传感器输出的数据将在数据记录仪中进行处理，然后发送到Web服务器，以便需要气象站数据的用户或人员访问。本文讨论了温度、湿度、气压、风向和风速传感器的设计技术。温度、空气湿度、气压、风向和风速数据的获取可以更加灵活，因为传输仅需连接互联网的蜂窝网络即可实现。
通过接入该互联网网络，可实现远程通信，将传感器读数结果发送至Web服务器。操作员可以方便地访问Web服务器上天气监测系统收集的数据，以进行分析或数据存储。使用Web服务器的另一个优势是数据安全更有保障。

II. 研究方法

总体流程图展示了使用蜂窝网络创建基于 Arduino的气象站系统的过程，从文献研究、硬件设计、软件设计到测试过程。
在系统框图设计过程中，同时进行各电路模块的硬件设计。在此阶段，设计了一系列微控制器和传感器，并将传感器数据设计为可通过台式机或智能手机访问网站上的用户获取。
下一个步骤是组装每个电路模块，并对多个模块进行软件设计流程。
电路的设计，包括用于传感器组件的软件设计以及用于基于Arduino的微控制器电路的以太网屏蔽模块的软件设计。
每个模块的测试包含多个阶段：
1. 基于Arduino的微控制器电路以及温度、湿度、气压、风向和风速传感器的测试
2. 使用调制解调器和 Wi-Fi路由器在3G网络上进行数据传输系统的测试
3. 在通信系统实验室的网络服务器上对设备和结果进行测试

III. 结果与讨论

基于Arduino的天气监测系统使用了四种传感器，分别是：DHT22作为湿度传感器，BMP180传感器作为温度和气压传感器，LM393传感器作为风速传感器，以及2SS52M传感器作为风向传感器。传感器接收到的数据将通过3G/4G调制解调器利用蜂窝网络发送。本设计中使用的软件是Arduino IDE软件，并使用了软件中已有的传感器库。

3.1 使用传感器设计设备

该自动天气监测设备所使用的传感器各有其功能，DHT22传感器用于测量湿度，BMP180传感器用于测量温度和气压，LM393传感器用于测量风速，2SS52M传感器作为风向传感器。所有传感器从Arduino获得相同的5V电压。

3.2 在网页上显示传感器输出的设计

为了在网站上显示工具中所用传感器的结果，需要配置多个项目。本研究使用的网站是支持Arduino传感器系统的ThingSpeak。
在网站 thinkspeak.com 注册后，继续创建包含传感器数据的字段或表格。根据设备中传感器的数量，共使用5个字段。在Arduino中使用API密钥以表明该设备已在 ThingSpeak网站上注册。传感器数据的输出显示结果如下图所示。

3.3 气象监测系统测试

Testing the 湿度h儿 门 itori 该系统包括同时运行的传感器测试。此测试旨在观察传感器在3G蜂窝网络上的ThingSpeak网站中的结果。该测试还旨在确定设备的每个框图均已成功执行。

3.3.1 传感器测试

在Arduino IDE程序的串行监视器中可以整体查看传感器的测试情况。该测试包括数据关于温度、湿度、气压、风速和风向

3.3.2 Web服务器上的测试结果

测试结果数据在thingspeak.com的公共视图中以图表形式显示。图5、6和7分别是温度、气压和空气湿度的图表，数据采集75分钟，在图表中每个采样时间点均有变化。

图8和图9是风速和风向的图表，其数据采集15分钟，在图表中可以看出每次采样时温度都发生变化。为在 thingspeak网络服务器上确定风向，提供以下信息
1. 数字1和5表示北和南
2. 数字3和7表示东和西
3. 数字2和6表示东北和西南
4. 数字4和8表示东南和西北

IV. 结论

设计和测试该设备的结果表明，基于3G蜂窝网络的 Arduino自动气象监测设备具有良好的灵活性和精确性，因为该设备可以放置在各种地方，尤其是在农村地区。
传感器的数据输出可以通过Thingspeak.com网站进行监控，因此用户无需直接前往设备安装地点进行监测。