一种基于Arduino单片机的温湿度及水位监测系统及方法与流程

本发明涉及智能监测，更具体地说，涉及一种基于arduino单片机的温湿度及水位监测系统及方法。

背景技术：

1、随着城市照明设施数量不断增加，路灯箱式站、室内站及灯杆周边设备的运行安全对城市照明系统的稳定性具有重要影响。路灯箱式站和室内站内部通常设置有供配电设备、控制设备和通信设备，其运行环境中的温度、湿度和水位状态会直接影响设备绝缘性能、散热状态和运行可靠性。例如，站内温度过高容易导致电气元件老化、控制器异常或设备停机；湿度过大容易引发凝露、绝缘下降和线路短路；低位区域积水则可能造成水浸、漏电和设备损坏。特别是在汛期，灯杆处也可能因道路积水、排水不畅等原因形成水位风险，若不能及时掌握水位变化，容易影响灯杆基础、电缆接头及相关电气设施的安全。

2、现有路灯箱式站和室内站的环境监测方式仍存在不足。一方面，部分站点仍依赖人工巡检或简单仪表查看，巡检周期较长，难以实现温湿度和水位状态的连续实时监测；当温度、水位短时间内快速变化时，运维人员往往难以及时发现异常。另一方面，现有监测设备多为单一功能设计，通常只能独立监测温湿度或水位，难以在同一套系统中完成温度、湿度和水位的联合采集、处理和预警，导致现场需要部署多套设备，增加硬件成本和运维复杂度。

3、此外，现有水位监测装置的场景适配性较差。对于路灯箱式站或室内站，水位采集单元多固定设置在站内低位区域；而对于灯杆汛期水位监测，缺少可拆离、可独立部署的水位监测结构，难以在不重建整套系统的情况下实现灯杆处水位专项监测。现有报警机制也较为粗放，部分系统仅根据单一阈值触发报警，不能区分正常、预警、告警和紧急等不同风险等级，也难以同步联动本地声光报警和移动端远程提醒。传感器受到瞬时水滴、电磁干扰、气流波动或接触不良影响时，容易产生跳变数据，若直接依据原始数据报警，可能造成误报；而对于温度缓慢升高或水位持续上涨等趋势性风险，单一阈值报警又往往只能在异常已经发生后才触发，无法实现提前预警。

4、同时，传统监测系统对历史数据利用不足，通常仅能显示当前数据，缺少对历史温湿度和水位数据的存储、查询和分析，也难以基于历史数据预测未来一段时间内的温湿度或水位变化趋势。部分设备即使具备通信功能，也只是简单上传当前监测值，不能将实时监测、异常过滤、分级报警、历史存储、趋势预测和远程预警形成闭环。因此，亟需一种能够适用于路灯箱式站、室内站常规监测，并兼顾灯杆汛期水位独立监测的温湿度及水位监测系统及方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于：现有路灯箱式站、室内站及灯杆汛期监测方案功能分散、场景适配性差，难以在同一系统中完成温湿度和水位联合监测，且水位模块不便拆离独立部署；同时，现有方案存在人工巡检依赖强、远程传输不足、报警等级单一、异常数据易误报、历史数据利用率低和缺少趋势预测的问题。为此，需要提供一种基于arduino单片机的温湿度及水位监测系统及方法，实现实时采集、异常过滤、分级声光报警、无线远程传输、历史存储、趋势预测以及灯杆汛期水位独立监测。

2、为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

3、一种基于arduino单片机的温湿度及水位监测系统，

4、包括用于部署在路灯箱式站内或室内站内的监测主体，所述监测主体内设置有arduino控制单元；所述路灯箱式站内或室内站内布设有温湿度采集单元，所述路灯箱式站或室内站的低位涉水监测位置布设有水位采集单元；

5、所述温湿度采集单元与arduino控制单元通信连接，用于向arduino控制单元输出表征所述路灯箱式站或室内站内温度和湿度的环境监测信号；

6、所述水位采集单元与arduino控制单元信号连接，用于输出表征站内水位高度的水位检测信号，且所述水位采集单元被配置为可从所述路灯箱式站或室内站的低位涉水监测位置拆离，并与arduino控制单元组成用于部署于灯杆处的汛期水位监测组件；

7、所述监测主体上设置有显示单元和报警单元，所述显示单元、报警单元分别与arduino控制单元连接，以显示监测数据和状态并执行分级声光报警；

8、所述监测主体内还设置有无线通信单元，所述无线通信单元与arduino控制单元及移动终端通信连接；

9、所述arduino控制单元内写入有温湿度及水位监测程序，用于对采集数据进行异常过滤和有效值计算，确定当前预警状态，并基于历史监测数据进行趋势预测，使无线通信单元向移动终端发送实时预警信息或预测预警信息，通过监测主体集成温湿度、水位、显示、报警和无线通信功能，可同时适配站内联合监测和灯杆汛期水位监测，提升系统集成度和场景适应性。

10、作为本发明的进一步技术方案，所述arduino控制单元采用arduino mega 2560单片机；所述温湿度采集单元采用sht31温湿度传感器，并与arduino控制单元的i2c通信端连接；所述水位采集单元采用yw robot studio水位传感器，并与arduino控制单元的模拟量采集端连接；所述显示单元采用1.8寸lcd显示屏，并与arduino控制单元的spi通信端连接；所述报警单元包括多个led发光二极管和蜂鸣器，并与arduino控制单元的数字量输出端连接；所述无线通信单元为串口转wifi通信单元，其串口端与arduino控制单元的串口通信端连接，wifi通信端与移动终端通信连接，通过限定各功能单元的具体硬件及接口连接方式，使系统接线关系清楚，便于现场安装、调试和维护，并提高arduino平台下的硬件兼容性。

11、作为本发明的进一步技术方案，所述温湿度及水位监测程序用于将采集得到的温度数据、湿度数据和水位数据写入对应的滑动窗口，并对滑动窗口内的数据进行异常数据剔除和加权平均处理，以生成有效温度值、有效湿度值和有效水位值；所述温湿度及水位监测程序还用于根据有效温度值和有效水位值确定正常、预警、告警和紧急四级预警状态，并控制显示单元、报警单元和无线通信单元执行对应动作；所述温湿度及水位监测程序还用于按照预设存储周期存储历史监测数据，基于历史监测数据预测温湿度及水位变化趋势，并在预测结果满足预设预警条件时向移动终端发送预测预警信息，通过程序实现滑动窗口处理、四级预警、历史存储和趋势预测，可降低瞬时干扰造成的误报，并使监测系统具备实时报警和提前预警能力。

12、一种基于arduino单片机的温湿度及水位监测方法，包括以下步骤：

13、s1、部署初始化：设置内置有arduino控制单元的监测主体，并将监测主体部署于路灯箱式站内或室内站内；在路灯箱式站内或室内站内布设温湿度采集单元，在低位涉水监测位置布设水位采集单元，将温湿度采集单元、水位采集单元、显示单元、报警单元及无线通信单元分别与arduino控制单元连接，并加载温湿度及水位监测程序；

14、s2、信号采集：通过温湿度采集单元采集路灯箱式站或室内站内的温度和湿度，并通过水位采集单元采集低位涉水监测位置的水位高度；当执行灯杆汛期水位监测时，将水位采集单元拆离并部署于灯杆处，与arduino控制单元组成汛期水位监测组件以采集灯杆处水位高度；

15、s3、有效值生成：arduino控制单元对采集得到的温度数据、湿度数据和水位数据进行滑动窗口异常过滤及加权处理，生成对应的有效监测值；

16、s4、当前预警：arduino控制单元根据对应的有效监测值及预设预警等级确定当前预警状态，控制显示单元显示有效监测值、当前预警状态、故障状态和系统时间，控制报警单元执行与当前预警状态对应的分级声光报警，并通过无线通信单元向移动终端发送实时监测数据和实时预警信息；

17、s5、预测预警：arduino控制单元按照预设存储周期将有效监测值存储为历史监测数据，基于历史监测数据预测对应监测参数的变化趋势，并在预测结果满足预设预警条件时，通过无线通信单元向移动终端发送预测预警信息，通过五步流程实现部署、采集、有效值生成、当前预警和预测预警的连续闭环，能够提升温湿度及水位监测的实时性、准确性和智能化水平。

18、作为本发明的进一步技术方案，所述s1中，arduino控制单元采用arduino mega2560单片机，温湿度采集单元采用sht31温湿度传感器，水位采集单元采用yw robotstudio水位传感器，显示单元采用1.8寸lcd显示屏，报警单元包括多个led发光二极管和蜂鸣器，无线通信单元采用串口转wifi通信单元；其中，sht31温湿度传感器与arduino控制单元的i2c通信端连接，yw robot studio水位传感器与arduino控制单元的模拟量采集端连接，1.8寸lcd显示屏与arduino控制单元的spi通信端连接，报警单元与arduino控制单元的数字量输出端连接，串口转wifi通信单元与arduino控制单元的串口通信端连接，通过细化arduino控制单元、传感器、显示、报警和通信单元的连接关系，使方法实施基础更加明确，便于按照通用硬件快速搭建监测系统。

19、作为本发明的进一步技术方案，所述s2中，arduino控制单元按照预设采样周期读取温湿度采集单元输出的温度数据和湿度数据，并读取水位采集单元输出的水位检测信号，将所述水位检测信号换算为水位高度或水位等级；当执行灯杆汛期水位监测时，将水位采集单元连接至arduino控制单元的供电端、接地端和模拟量采集端，使arduino控制单元至少采集灯杆处水位高度，并将灯杆处水位数据发送至显示单元、报警单元和无线通信单元，通过将水位检测信号换算为水位高度或等级，并支持水位采集单元独立用于灯杆处监测，增强汛期应急布设和水位专项监测能力。

20、作为本发明的进一步技术方案，所述s3中，arduino控制单元将采集得到的温度数据、湿度数据和水位数据分别写入对应的滑动窗口，所述滑动窗口用于保存最近若干次采样数据；当滑动窗口内数据达到预设长度后，对窗口内数据进行排序，剔除最大值和最小值，并根据窗口内剩余数据的平均变化情况识别异常采样值；当单个采样值相对于窗口平均水平的偏差超过预设偏差范围时，将该采样值判定为干扰噪声并剔除；当连续多次采样值均超出正常范围时，将对应监测参数判定为真实异常趋势并进入预警判断流程，通过滑动窗口保存近期采样数据，并剔除极端值和干扰噪声，可削弱瞬时波动对判断结果的影响，提高有效监测数据的稳定性。

21、作为本发明的进一步技术方案，所述s3中，arduino控制单元对剔除异常数据后的滑动窗口数据进行加权平均处理，以生成有效监测值；所述加权平均处理按照采样时间由远及近逐渐提高采样数据的影响权重，使较新的采样数据对有效监测值具有更高影响，使较早的采样数据对有效监测值具有较低影响；在路灯箱式站或室内站监测模式下，分别生成有效温度值、有效湿度值和有效水位值；在灯杆汛期水位监测模式下，至少生成灯杆处有效水位值，通过对剔除异常后的数据进行时间加权处理，使近期数据对有效值影响更大，兼顾数据平滑性和响应速度，提高异常识别及时性。

22、作为本发明的进一步技术方案，所述s4中，当前预警状态包括正常、预警、告警和紧急四级；当有效温度值和有效水位值均处于正常范围时，确定为正常状态；当有效温度值接近超温阈值或有效水位值达到预警水位等级时，确定为预警状态；当有效温度值超过超温阈值或有效水位值达到告警水位等级时，确定为告警状态；当有效温度值超过紧急温度阈值或有效水位值超过紧急水位等级时，确定为紧急状态；arduino控制单元根据不同预警状态控制led发光二极管的点亮数量、闪烁状态或常亮状态，并控制蜂鸣器间歇鸣响或持续鸣响，同时向移动终端发送对应等级的实时预警信息，通过设置正常、预警、告警和紧急四级状态，并联动led和蜂鸣器执行不同报警方式，便于运维人员区分风险程度并及时处置。

23、作为本发明的进一步技术方案，所述s5中，arduino控制单元按照预设存储周期对有效监测值进行平均计算，并将形成的时段平均值作为历史监测数据存储至eeprom历史数据库；arduino控制单元基于所述历史监测数据采用二次指数平滑法预测对应监测参数的变化趋势，所述二次指数平滑法先根据当前时段平均值和上一周期平滑结果得到一次平滑结果，再根据一次平滑结果和上一周期二次平滑结果得到二次平滑结果，并由一次平滑结果与二次平滑结果确定当前变化趋势和未来预测值；当预测结果满足预设预警条件时，通过无线通信单元向移动终端发送预测预警信息；arduino控制单元还对传感器工作状态进行故障自诊断，当连续多次采样数据无变化或采样数据超出对应传感器的物理合理范围时，判定对应传感器发生故障，并通过显示单元、报警单元和无线通信单元输出故障提示信息，通过历史数据存储、二次指数平滑趋势预测和传感器故障自诊断，可实现由事后报警向事前预警转变，并降低传感器失效导致的漏报风险。

24、相比于现有技术，本发明的优点在于：

25、本发明通过在路灯箱式站或室内站内设置监测主体，并在监测主体内配置arduino控制单元，使温湿度采集单元、水位采集单元、显示单元、报警单元及无线通信单元能够在同一控制平台下协同工作，从而将站内温度、湿度和水位监测集成为一套完整系统，避免现有技术中温湿度监测和水位监测分散布设、设备数量多、安装维护复杂的问题。通过将水位采集单元布设于低位涉水监测位置，并设置为可拆离结构，使其能够与arduino控制单元组成汛期水位监测组件并部署于灯杆处，实现路灯箱式站、室内站常规监测与灯杆汛期水位专项监测之间的灵活切换，提高了系统的场景适配能力和应急布设能力。

26、同时，本发明通过arduino控制单元加载温湿度及水位监测程序，对采集得到的温度数据、湿度数据和水位数据进行滑动窗口异常过滤及加权处理，能够削弱瞬时水滴、电磁干扰、气流波动或传感器短时跳变对监测结果的影响，生成更加稳定、可靠的有效监测值，降低误报警概率。基于有效监测值及预设预警等级确定当前预警状态，并控制显示单元、报警单元和无线通信单元执行对应动作，使系统能够根据风险程度实现本地数据显示、分级声光报警和移动终端实时预警，便于运维人员快速区分正常、预警、告警和紧急等不同状态，提升异常处置的及时性和针对性。

27、此外，本发明按照预设存储周期将有效监测值形成历史监测数据，并基于历史监测数据预测对应监测参数的变化趋势，在预测结果满足预设预警条件时向移动终端发送预测预警信息，使系统不再局限于异常发生后的被动报警，而能够对设备过热、湿度异常或水位持续上涨等趋势性风险进行提前提示。通过无线通信单元与移动终端通信连接，运维人员能够远程查看实时监测数据、预警信息、故障信息及预测结果，并对历史数据进行保存和查询，减少现场巡检频次，提高运维效率。由此，本发明形成了从数据采集、异常过滤、状态判断、本地报警、无线传输、历史存储到趋势预测的连续监测闭环，显著提高了路灯箱式站、室内站及灯杆汛期水位监测的实时性、可靠性、智能化水平和安全保障能力。