【基于 STM32 的教室環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)11000字（論文）】

基于STM32的教室環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要近年來(lái)，我國(guó)教育規(guī)模不斷擴(kuò)大，一方面體現(xiàn)在在校學(xué)生總?cè)藬?shù)逐年增加，另一方面體現(xiàn)在大量新建、改建教學(xué)樓和校舍投入使用。教學(xué)樓修建過(guò)程中，由于大量建筑材料的使用、教學(xué)設(shè)備的安裝等因素，新建教學(xué)樓的室內(nèi)空氣質(zhì)量常出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題。在用的教學(xué)樓，也普遍缺乏對(duì)衛(wèi)生間氣味檢測(cè)、教室內(nèi)的二氧化碳濃度測(cè)量、家居有害氣體排放濃度測(cè)量等。教學(xué)樓內(nèi)人員密度大、流動(dòng)頻繁，空氣污染問(wèn)題如果不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)并加以控制，將會(huì)對(duì)廣大師生的身心健康造成嚴(yán)重影響。目前存在的主要問(wèn)題，一是教學(xué)樓內(nèi)未安裝有針對(duì)性的空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備，二是安裝有部分氣體的檢測(cè)，但不全面，缺少整體評(píng)價(jià)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)樓空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。分析了教學(xué)樓場(chǎng)景下的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)架構(gòu)，完成了兩類空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，搭建了教學(xué)樓空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且進(jìn)行了系統(tǒng)性能測(cè)試與系統(tǒng)功能測(cè)試。關(guān)鍵詞：STM32；環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；智能控制目錄TOC\o"1-3"\h\u16394摘要 112060第1章緒論 4185051.1研究背景 488991.2研究背景 521951第2章基于STM32的教室環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念 562092.1系統(tǒng)的物理架構(gòu) 557062.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)概括 6944第3章系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 772803.1主控制器模塊 7105053.2數(shù)據(jù)采集模塊 8209013.2.1甲醛采集模塊 8132583.2.2溫濕度采集模塊 10255703.2.3光照采集模塊 13206563.2.4二氧化碳采集模塊 14207243.2.5PM2.5采集模塊 165963.3無(wú)線通信模塊 1713093.4硬件平臺(tái)搭建 1828596第4章系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 19286824.1Web平臺(tái)設(shè)計(jì) 1991914.1.1用戶登錄 19189844.1.2網(wǎng)站主頁(yè)面 20124284.1.3實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示 21219754.1.4曲線分析 22288654.2Android客戶端設(shè)計(jì) 227884.2.1用戶登錄 22226794.2.2系統(tǒng)主頁(yè)面 23208764.2.3環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 24239045.2.4系統(tǒng)閥值設(shè)定 25277074.2.5報(bào)警記錄 2595554.2.6家電控制 2648644.3通信協(xié)議設(shè)計(jì) 2624912第5章系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用 28188905.1通信測(cè)試 2825115.2硬件平臺(tái)測(cè)試 29169785.3功能模塊測(cè)試 3016449總結(jié) 3123677致謝 3224675參考文獻(xiàn) 33第1章緒論1.1研究背景隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，空氣污染對(duì)人們的身心健康影響也越來(lái)越大?？諝馕廴炯航?jīng)嚴(yán)重?fù)p害了人們的健康，不僅是室外的空氣對(duì)人身體有害，室內(nèi)空氣質(zhì)量差對(duì)健康損害也很大。據(jù)研究表明室內(nèi)空氣污染是室外空氣污染的數(shù)倍，并且人們?cè)谑覂?nèi)活動(dòng)的時(shí)間約占總時(shí)間的90%。2016年世界銀行發(fā)布的一份統(tǒng)計(jì)報(bào)告指出，空氣污染、肥胖、飲食和吸煙是世界上引起死亡的四大最主要的誘因。不僅如此，在全世界范圍內(nèi)空氣污染還造成直接或間接經(jīng)濟(jì)損失巨大，據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的調(diào)查得知，僅美國(guó)每年因空氣污染造成的損失高達(dá)400多億美元。我國(guó)的空氣污染形勢(shì)也十分嚴(yán)峻，清華大學(xué)的胡鞍鋼教授在研究報(bào)告中表明，至少有2.7億的中國(guó)人的生活受到空氣污染的影響，由于空氣污染原因，每年新增1500萬(wàn)例支氣管炎病患者，有23000人死于呼吸道疾病，其中青少年占有很大的比例。2001年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)發(fā)布了《民用工程建筑室內(nèi)空氣環(huán)境污染控制規(guī)范》GB50325-2001旨在減少室內(nèi)空氣污染對(duì)人的健康的損害，同時(shí)也為室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)體系提供了權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)。2002年衛(wèi)生部、國(guó)家環(huán)保總局及國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局又聯(lián)合頒布的《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T18883-2002，己在次年正式生效。該標(biāo)準(zhǔn)的部分內(nèi)容如表1.1所示。人們可以根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)性改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量。表1.1室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值表2020年新型冠狀病毒的爆發(fā)也讓我們認(rèn)識(shí)到了教室作為高密度人居場(chǎng)所，一旦教室出現(xiàn)疫情，那么傳播速度將會(huì)十分迅速。高密度人群教室不僅會(huì)受到傳染病的侵?jǐn)_，還會(huì)受到化學(xué)性揮發(fā)物的傷害。在新裝修的教室中，裝修的涂料、油漆、課桌、座椅等會(huì)釋放甲醛，甲醛超標(biāo)會(huì)引發(fā)白血病。有研究表明，80%白血病患者是因?yàn)樽∵M(jìn)新裝修的房間吸入含有甲醛的空氣導(dǎo)致的。當(dāng)冬天來(lái)臨時(shí)，教室窗戶長(zhǎng)時(shí)間處于封閉狀態(tài)，加上教室里的學(xué)生較多，產(chǎn)生的二氧化碳的濃度會(huì)高出正常值幾十倍，當(dāng)教室的二氧化碳濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)使學(xué)生們?nèi)菀追咐В瑯O大地降低了學(xué)習(xí)效率。1.2研究背景隨著時(shí)代的進(jìn)步，現(xiàn)在市場(chǎng)上各種空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備開(kāi)始出現(xiàn)。傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量評(píng)估設(shè)備測(cè)量的氣體比較單一，價(jià)格比較昂貴，空氣質(zhì)量的評(píng)估不夠全面。而且近幾年來(lái)的室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)基本都是針對(duì)家庭臥室、商場(chǎng)和醫(yī)院的空氣質(zhì)量評(píng)估設(shè)備的比較多，缺少專門(mén)針對(duì)教室的空氣質(zhì)量評(píng)估的設(shè)備。傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量評(píng)估設(shè)備大多數(shù)只是評(píng)估各個(gè)空氣成分，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的調(diào)控功能，改善空氣質(zhì)量?，F(xiàn)在的中小學(xué)教室使用的基本上使用中央空調(diào)來(lái)調(diào)溫和換風(fēng)，使用中央空調(diào)換風(fēng)的耗能較大，而且出現(xiàn)新冠肺炎傳染病時(shí)會(huì)發(fā)生病毒的氣溶膠傳播，感染風(fēng)險(xiǎn)極大，無(wú)法達(dá)到教室空氣調(diào)控效果。綜上所述，教室空氣質(zhì)量感知與調(diào)控系統(tǒng)的研究不僅能為降低教室二氧化碳的濃度、提高老師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)效率提供切實(shí)可行的解決方案，還能夠?yàn)樾滦凸跔畈《净蚱渌麄魅静〉姆揽靥峁┯辛Φ姆酪叽胧?。該系統(tǒng)也對(duì)教室空氣的改善、保護(hù)學(xué)生身體健康具有重要的意義，為現(xiàn)代化教室的建設(shè)提供了新思路，具有一定的實(shí)用價(jià)值。第2章基于STM32的教室環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念2.1系統(tǒng)的物理架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)圖如下圖2.3所示。從下至上分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中在應(yīng)用層中，可以將物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)應(yīng)用于節(jié)能減排、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全防范、智能家居、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智能電網(wǎng)、智能交通等行業(yè)中。在本論文我們就是將現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面。在系統(tǒng)最底層的感知層主要負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境因子的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)接受應(yīng)用層的控制命令，并作出相應(yīng)的動(dòng)作。中間的網(wǎng)絡(luò)層則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸。最頂層的應(yīng)用層是對(duì)網(wǎng)絡(luò)層傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，應(yīng)用層是主要面向用戶的，一般包括手機(jī)客戶端應(yīng)用程序（APP）和Web平臺(tái)。圖2.3物聯(lián)網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)2.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)概括基于以上對(duì)系統(tǒng)的需求和物理架構(gòu)的分析，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2.4所示。該系統(tǒng)主要包括兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)，分別是硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。硬件平臺(tái)中主控制器芯片是STM犯系列單片機(jī)，其強(qiáng)大的功能能夠滿足系統(tǒng)的需求。CPRS通信模塊主要包括兩個(gè)部分，一個(gè)是SIM900通信模塊，另一個(gè)是以PIC系列單片機(jī)為控制芯片的控制模塊，該通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和控制指令的接受。數(shù)據(jù)采集模塊采集的室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)通過(guò)STM32單片機(jī)發(fā)送至CPRS通信模塊，通信模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定值時(shí)，CPRS通信模塊還可以給用戶發(fā)送報(bào)警信息，用戶可以根據(jù)報(bào)警信息來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的操作。這時(shí)用戶可以通過(guò)手機(jī)客戶端來(lái)下發(fā)控制指令到下位機(jī)，下位機(jī)執(zhí)行控制指令到具體的響應(yīng)模塊，來(lái)控制窗簾、燈、或者空調(diào)的開(kāi)關(guān)。軟件平臺(tái)主要有Web端和Android手機(jī)端，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，Android客戶端是面向于廣大用戶的，Web端是面向于裝修公司的管理員的，分別來(lái)設(shè)計(jì)可以方便管理員和用戶了解裝修后房屋的室內(nèi)環(huán)境情況。為了便于用戶更直觀的看到室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，我們又增加了一個(gè)液晶顯示模塊，用來(lái)顯示當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)。圖2.4室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)圖第3章系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1主控制器模塊本論文系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)中控制器采用STM32系列的STM32F103zET6芯片，該芯片是由意法半導(dǎo)體公司（ST）推出，是一款采用了Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)的32位ARM微控制器。該芯片具有的高性能和低功耗的特點(diǎn)成為廣大用戶的首先。由于STM32系列芯片具有高性能的特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于一些需要低功耗和運(yùn)算能力強(qiáng)的場(chǎng)合。其常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)合如下：（1）工業(yè)控制場(chǎng)合：打印機(jī)、PLC、工業(yè)變頻器等。（2）低能耗場(chǎng)合：電子血壓計(jì)、電表等。（3）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)：智能家居、智能農(nóng)業(yè)、智能工業(yè)等物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。（4）通訊應(yīng)用：報(bào)警系統(tǒng)、對(duì)講機(jī)。（5）電子產(chǎn)品：PC游戲外設(shè)、手持設(shè)備、CPS平臺(tái)。本系統(tǒng)中采用的STM32F103zET6芯片屬于STM32F103加強(qiáng)型產(chǎn)品，其工作頻率最高至72MHZ，該芯片集成了定時(shí)器、CAN、I2C、SPI、ADC、USB、UART等多種功能。STM32F103系列的MCU內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖4.1所示。國(guó)4.1STM32內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.2數(shù)據(jù)采集模塊本系統(tǒng)硬件電路中對(duì)環(huán)境因子的數(shù)據(jù)采集一共分為五個(gè)功能模塊，分別為甲醛采集模塊、溫濕度采集模塊、光照強(qiáng)度采集模塊、C02采集模塊和PM2.5采集模塊。所以接下來(lái)要主要對(duì)這幾個(gè)模塊展開(kāi)介紹。3.2.1甲醛采集模塊本論文中對(duì)甲醛濃度的采集是采用廣州市某科技公司生產(chǎn)是MQ138氣體檢測(cè)模塊，該模塊傳感器使用的氣敏元件是二氧化錫（Sn02），二氧化錫在干凈的空氣中電導(dǎo)率很小，所以當(dāng)處于含有有機(jī)蒸汽的空間中時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率會(huì)隨著空氣中有機(jī)蒸汽濃度變化而變化，具體表現(xiàn)為隨濃度的增加而增大，MQ138氣體檢測(cè)模塊中使用較為簡(jiǎn)單的電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)進(jìn)行輸出。該傳感器對(duì)于甲醛的靈敏度極高，同時(shí)具有壽命長(zhǎng)、成本低的特點(diǎn)，在一定程度上可以節(jié)約成本。下面對(duì)MQ138氣體檢測(cè)模塊進(jìn)行介紹。（1）MQ138氣體傳感器性能MQ138傳感器對(duì)甲醛濃度的測(cè)量范圍是5-500ppm，即3.75-375mg/m3，工作電壓是DC4.8-5.2V，工作環(huán)境溫度為-10℃-50℃。MQ138氣體檢測(cè)模塊的技術(shù)對(duì)數(shù)如下表4.1所不。表4.1MQ138氣體檢測(cè)模塊的技術(shù)對(duì)數(shù)（2）MQ138氣體檢測(cè)模塊引腳說(shuō)明本系統(tǒng)中甲醛濃度的采集模塊用到的傳感器是MQ138氣體傳感器，該傳感器模塊有四個(gè)引腳，分別為VCC、DOUT、AOUT、和CND。VCC用來(lái)連接電源的正極，CND用來(lái)連接電源的負(fù)極，DOUT為電平信號(hào)輸出接口，AOUT為模擬信號(hào)的輸出接口?？梢愿鶕?jù)AOUT的輸出值計(jì)算出甲醛氣體的濃度。MQ138傳感器模塊如下圖4.2所示。圖4.2MQ138傳感器模塊（3）MQ138氣體傳感器工作原理及物理轉(zhuǎn)換MQ138傳感器在不同的環(huán)境中可以計(jì)算出MQ氣體傳感器的靈敏度（R0/RS），根據(jù)靈敏度和氣體濃度之間的對(duì)數(shù)關(guān)系計(jì)算出相應(yīng)氣體的濃度。下面將介紹具體的計(jì)算方法。在干凈的空氣中，可以按照公式來(lái)計(jì)算氣敏元件的電阻值，公式4-1如下：（4-1）其中，VCC表示電源的供電電壓，RL表示氣敏元件的負(fù)載電阻，VRL表示在干凈空氣中AOUT引腳輸出的值。當(dāng)傳感器檢鋇」到氣體時(shí)，測(cè)出AOUT的輸出值，可以由公式計(jì)算出RS的值。公式4-2如下：（4-2）其中，部分參數(shù)同上，值得注意的是，此時(shí)VRL表示的值是檢測(cè)氣體后AOUT的值。根據(jù)MQ138傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，氣敏元件的靈敏度與測(cè)定氣體濃度之間存在對(duì)數(shù)關(guān)系。具體關(guān)系表達(dá)式4-3如下：LnS=a+blnV（4-3）其中，S=R0/RS，表示其靈敏度，V表示氣體濃度，a、b為修正參數(shù)。根據(jù)上述幾個(gè)公式可以計(jì)算出測(cè)定氣體的濃度，注意此時(shí)計(jì)算出的氣體濃度的單位是PPm，而我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)單位是mg/m3，所以要進(jìn)行單位間的換算，具體的換算公式4-4如下：X=（4-4）其中，X表示氣體污染物以每立方米的毫克數(shù)作為單位的濃度值，M代表污染物分子量，C代表污染物是以ppm單位的濃度值。3.2.2溫濕度采集模塊本系統(tǒng)中對(duì)室內(nèi)環(huán)境中溫濕度的采集時(shí)采用的DHTZI數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器具有高穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)還集成了溫濕度傳感器技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)。其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可應(yīng)用在家電、醫(yī)療、自動(dòng)控制、暖通空調(diào)、氣象站、濕度調(diào)節(jié)器、測(cè)試及檢測(cè)設(shè)備等場(chǎng)合。（1）DHTZI溫濕度傳感器的性能說(shuō)明如下表4.2所示。表4.2DHT21溫濕度傳感器的性能（2）DHTZI溫濕度傳感器的引腳說(shuō)明DHT21溫濕度傳感器有四個(gè)引腳，分別為VDD、DATA、GND、NC。引腳說(shuō)明如下表4.3。表4.3DHT21溫度傳感器引腳說(shuō)明DHT21溫濕度傳感器模塊如下圖4.3所示。圖中紅色線代表VCC，黃色線代表DATAOUT數(shù)據(jù)輸出，黑色線代表CND（接地）。在實(shí)驗(yàn)室使用該傳感器時(shí)，需上電等待1S后再發(fā)送相應(yīng)的指令，為了達(dá)到去禍濾波的目的，可以在電源引腳之間加上一個(gè)l00nF的電容。圖4.3DHT溫濕度傳感器模塊圖4.4DHT21與MCU連接圖（3）DHTZI溫濕度傳感器的單總線接口說(shuō)明DHTZI溫濕度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式，也就是上述所說(shuō)的DATA引腳可以用于控制器與DHTZI之間的通訊和同步，一次通訊時(shí)間在sms左右。具體的單總線的數(shù)據(jù)格式如下面說(shuō)明，當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸是4obit，高位先出。數(shù)據(jù)格式：40bit數(shù)據(jù)=16bit濕度數(shù)據(jù)+l6bit溫度數(shù)據(jù)8bit校驗(yàn)和例子：接收40bit數(shù)據(jù)如下：0000001010001100000000010101111111101110濕度數(shù)據(jù)溫度數(shù)據(jù)校驗(yàn)和濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位=的末8位=校驗(yàn)和例如：00000010+10001100+00000001+01011111=11101110濕度=65.2%RH溫度=35.1℃當(dāng)溫度低于O℃時(shí)溫度數(shù)據(jù)的最高位置1。例如：-10.1℃表示為10000000011001013.2.3光照采集模塊本論文系統(tǒng)中對(duì)光照強(qiáng)度的采集是使用的BH175O傳感器模塊，該傳感器是由日本ROHM公司推出的一款數(shù)字式光照傳感器。（1）BH1750傳感器性能BH175o傳感器的性能如下面表格4.4所示。表4.4BH1750傳感器性能（2）BH175o傳感器模塊引腳說(shuō)明BH175O傳感器模塊有五個(gè)引腳，分別為VCC、CND、ADDR、SCL和SDA，其中VCC用來(lái)接電源的正極，CND用來(lái)接電源的負(fù)極或者接地，ADDR是地址選擇引腳，SCL是12c總線的串行時(shí)鐘信號(hào)引腳，SDA是12c總線的串行數(shù)據(jù)引腳。其模塊如圖4.5所示。圖4.5BH1750傳感器模塊（3）BH1750傳感器工作原理在工作時(shí)序上，BH1750傳感器與I2C總線相同。下面對(duì)BH1750傳感器的常用命令進(jìn)行介紹。BH175O的尋址命令由八位二進(jìn)制數(shù)0和1組成，包括七位地址標(biāo)識(shí)位和一位讀寫(xiě)位，其中讀寫(xiě)位中O代表寫(xiě)，1代表讀。BH175O常用命令如下表4.5所示。表4.5BH1750常用命令3.2.4二氧化碳采集模塊本論文系統(tǒng)中對(duì)二氧化碳的采集使用的是MG-811傳感器，該傳感器屬于固體電解質(zhì)型傳感器，具有較好的靈敏度和選擇性。（1）MG-811傳感器的性能MG-811傳感器的性能如下表4.6所示。表4.6MG-811傳感器性能（2）MG-811傳感器模塊引腳說(shuō)明MG-811傳感器模塊有五個(gè)引腳，分別為VCC、DOUT、AOUT、CND和TCM，VCC是來(lái)接電源的正極，CND用來(lái)接電源的負(fù)極或者接地，DOUT為輸出引腳，AOUT為測(cè)量的二氧化碳的電壓值，TCM為溫度補(bǔ)償輸出引腳。MG-811傳感器模塊如下圖4.6所示。圖4.6MG-811傳感器模塊（3）MG-811傳感器工作原理和物理量轉(zhuǎn)換MG-811傳感器模塊的原理圖如下圖4.7所示。圖4.7MG-811傳感器模塊的原理圖由原理圖可以知道，傳感器與高輸入阻抗運(yùn)算放大器CA3140A相連接，由AOUT引腳輸出經(jīng)過(guò)放大電路的二氧化碳的EMF值，輸出的電壓，為模擬量，根據(jù)以下公式4-5可以計(jì)算出二氧化碳的EMF值Uco2。（4-5）其中Rl為20K，R3為10K。由MG-811的靈敏度可以得知，MG-811傳感器的EMF（電壓值）隨二氧化碳濃度的變化而變化，所以，與二氧化碳濃度之間的對(duì)數(shù)關(guān)系表達(dá)式如4-6：（4-6）其中，為二氧化碳的濃度，單位是PPm，a、b為公式的修正參數(shù)。根據(jù)靈敏度特性以及數(shù)學(xué)運(yùn)算方法，計(jì)算出二氧化碳的濃度，然后按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將二氧化碳濃度的單位ppm換算為%，單位間的換算關(guān)系為4-7所示：（4-7）3.2.5PM2.5采集模塊本論文系統(tǒng)中用來(lái)采集PM2.5的是SDSOll傳感器，該傳感器是采用激光散射的原理，得到空氣中PM2.5的濃度。具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、響應(yīng)快速、便于集成、分辨率高等特點(diǎn)，同時(shí)該傳感器模塊內(nèi)置風(fēng)扇。其可以應(yīng)用于PM2.5檢測(cè)儀、凈化器、過(guò)濾系統(tǒng)等，應(yīng)用范圍廣泛。（1）SDSOll傳感器模塊的性能SDS011傳感器模塊的性能如下表4.7所示。表4.7SDS011傳感器模塊的性能（2）SDS0ll傳感器模塊的引腳說(shuō)明SDSOll傳感器模塊一共有七個(gè)引腳，分別為NC、lum、5V、25um、CND、RXD、TXD。NC為控制引腳，1um和25um是分別用來(lái)測(cè)量PM2.5和PMIO輸出的PWM波形，5V是介入5V的電壓輸入，CND用來(lái)接地，RXD和TXD分別對(duì)應(yīng)串口的接受數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的。SDSOll傳感器模塊如下圖4.8所示。圖4.8DS011傳感器模塊（3）SDS0ll模塊的工作原理SDS0ll傳感器時(shí)采用激光散射原理，當(dāng)空氣中的顆粒物被激光照射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很微弱的光散射，而光散射的波形是與顆粒物的直徑有直接關(guān)系的，通過(guò)對(duì)不同的波形分析，就可以得到不同顆粒物的濃度，再按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)單位進(jìn)行換算，就得到我們需要采集的顆粒物的數(shù)量濃度。3.3無(wú)線通信模塊無(wú)線通信模塊采用的是SIM900A和控制芯片，其中控制芯片是PlC系列單片機(jī)，SIM9OOA具有GSM和GPRS集成功能，該產(chǎn)品還具有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，與單片機(jī)同時(shí)時(shí)采用的串口通信方式。SIM900A的使用范圍很廣，可以用于家居、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等用于進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合中。SIM900A的通信模塊圖如下圖4.9所示。GPRS通信模塊與STM32單片機(jī)進(jìn)行串口連接，通過(guò)AT命令來(lái)實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的功能。圖4.9無(wú)線通信模塊圖3.4硬件平臺(tái)搭建基于以上對(duì)硬件平臺(tái)中各個(gè)模塊的研究和設(shè)計(jì)，我們搭建好了硬件平臺(tái)。系統(tǒng)硬件平臺(tái)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖4.10所示。圖4.10系統(tǒng)硬件平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖為了看起來(lái)美觀，我們將其組合拼裝，則包裝后的整體外觀圖如下圖4.11所示。圖4.11硬件系統(tǒng)外觀圖第4章系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1Web平臺(tái)設(shè)計(jì)為了方便管理員對(duì)用戶室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的變化的分析，更加直觀的看到室內(nèi)環(huán)境各個(gè)因子的濃度變化，開(kāi)發(fā)了B/s架構(gòu)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。Web平臺(tái)是基于Java語(yǔ)言，在MyEcliPse平臺(tái)上面開(kāi)發(fā)的。B/s架構(gòu)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)升級(jí)，數(shù)據(jù)安全性高。下面將分別從不同的模塊設(shè)計(jì)介紹Web平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，包括管理員登錄頁(yè)面設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示頁(yè)面設(shè)計(jì)、曲線分析頁(yè)面設(shè)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)查詢頁(yè)面設(shè)計(jì)。4.1.1用戶登錄在Web平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，首先要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的功能就是管理員的登錄功能。在系統(tǒng)的登錄頁(yè)面中，管理員輸入賬號(hào)和密碼進(jìn)行登錄操作，若輸入的登錄信息錯(cuò)誤，則跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤頁(yè)面。若登錄成功，管理員也可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行相應(yīng)的密碼修改操作。管理員登錄頁(yè)面具體設(shè)計(jì)如下5.1所示。圖5.1管理員登錄頁(yè)面設(shè)計(jì)登錄操作的的具體流程圖如下5.2所示。開(kāi)始開(kāi)始輸入用戶名和密碼判斷用戶名和密碼是否正確登錄成功，跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)首頁(yè)提示錯(cuò)誤，請(qǐng)重新輸入圖5.2用戶登錄流程圖在登錄頁(yè)面，管理員可以輸入用戶名和密碼，這時(shí)使用doPost（）方法獲取loginjsp頁(yè)面上輸入的信息，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的信息進(jìn)行驗(yàn)證。如果該條信息能夠在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢到，則表示該管理員的賬號(hào)和密碼是正確的，登錄成功，頁(yè)面會(huì)跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)首頁(yè)；如果數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有該條信息，則表示該管理員不是合法管理員，那么頁(yè)面將會(huì)跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤提示頁(yè)面。4.1.2網(wǎng)站主頁(yè)面在登錄頁(yè)面一旦管理員登錄成功，那么頁(yè)面就會(huì)跳轉(zhuǎn)到網(wǎng)站的主界面，網(wǎng)站的主頁(yè)面主要分為三部分：頁(yè)面頂端、頁(yè)面左側(cè)的導(dǎo)航欄和頁(yè)面中間部分。其中頁(yè)面頂端主要包括網(wǎng)站首頁(yè)、信息修改和退出三部分。頁(yè)面左側(cè)的導(dǎo)航欄包括室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)平臺(tái)介紹、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、曲線分析和歷史數(shù)據(jù)查詢。頁(yè)面中間部分是對(duì)相應(yīng)信息的顯示。網(wǎng)站主頁(yè)面設(shè)計(jì)的如下圖5.3所示。圖5.3網(wǎng)站主頁(yè)面4.1.3實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在網(wǎng)站主頁(yè)面的左側(cè)導(dǎo)航欄中，點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示”，就會(huì)在頁(yè)面顯示出當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境中甲醛、二氧化碳、溫濕度、光照強(qiáng)度和PM2.5的值，這樣管理員就可以直觀清楚用戶室內(nèi)環(huán)境的優(yōu)劣，選擇用戶，點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)刷新”按鈕，就實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前用戶室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。然后再根據(jù)不同情況采取相對(duì)應(yīng)的方法來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，具體頁(yè)面如下圖5.5所示。圖5.5實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示4.1.4曲線分析論文中對(duì)于曲線分析模塊的設(shè)計(jì)如下圖5.6所示，管理員可以根據(jù)選擇不同的用戶和環(huán)境參數(shù)類型來(lái)查看用戶室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量情況。用戶室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量情況就是利用多傳感器融合技術(shù)來(lái)評(píng)估出來(lái)的，根據(jù)數(shù)據(jù)融合的算法來(lái)評(píng)估出環(huán)境的等級(jí)情況，我們?cè)谶@里分為五個(gè)等級(jí)，分別是優(yōu)、良、一般、差、較差。圖5.6曲線分析模塊論文中采用HighchartS圖表技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新的曲線圖。HighchartS是一個(gè)圖表庫(kù)，該圖表庫(kù)是采用JavascriPt編寫(xiě)的。Highcharts可以支持多種類型的圖表，比如曲線圖、柱狀圖、餅狀圖、區(qū)域圖、散狀點(diǎn)圖和綜合圖表等。在代碼的編寫(xiě)過(guò)程中，必須在相應(yīng)的Html中引入jOuery和Highcharts庫(kù)。4.2Android客戶端設(shè)計(jì)4.2.1用戶登錄室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，從安全性的角度考慮，為每一個(gè)用戶設(shè)置了不同的登錄名和密碼，同時(shí)手機(jī)客戶端是不能進(jìn)行密碼的修改的，若是用戶想要修改密碼或者找回密碼，可以聯(lián)系管理員，這樣可以保證用戶信息和系統(tǒng)的安全性。在用戶登錄模塊的設(shè)計(jì)中，用戶界面的布局文件為XML文件，為了便于開(kāi)發(fā)人員的記憶，避免出現(xiàn)文件太多而產(chǎn)生混亂，在本系統(tǒng)中登錄模塊的布局文件名為login.xml。用戶登錄模塊的頁(yè)面設(shè)計(jì)如下圖5.8所示。5.8Android客戶端設(shè)計(jì)4.2.2系統(tǒng)主頁(yè)面手機(jī)客戶端的主頁(yè)面模塊主要包括環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、閡值設(shè)置、家電控制、報(bào)警記錄和退出登錄五個(gè)部分，其模塊頁(yè)面的設(shè)計(jì)圖如下圖5.10所示。圖5.10監(jiān)控主頁(yè)面在該模塊的設(shè)計(jì)中，我們?cè)诓季治募enu.xml中對(duì)Button按鈕控件定義一些方法，每一個(gè)Button按鈕都有一個(gè)唯一的方法與之相對(duì)應(yīng)。定義好方法以后，在主頁(yè)面對(duì)應(yīng)的MainActivity中實(shí)現(xiàn)該方法即可。相比于定義一個(gè)ID，實(shí)例化一個(gè)對(duì)象，再設(shè)置對(duì)象的監(jiān)聽(tīng)（SetonChckListenne：），這種定義方法更簡(jiǎn)單。4.2.3環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊是對(duì)當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并上傳至手機(jī)客戶端。對(duì)該模塊的設(shè)計(jì)中主要是數(shù)據(jù)的獲取和顯示，其設(shè)計(jì)頁(yè)面如下圖所示5.11所示。圖5.11環(huán)境監(jiān)測(cè)頁(yè)面本系統(tǒng)采用的Android客戶端到數(shù)據(jù)去取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，客戶端的數(shù)據(jù)隨著數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)變化而變化。在環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示過(guò)程中，我們以室內(nèi)濕度的實(shí)時(shí)采集按鈕為例，來(lái)說(shuō)明如何用代碼實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)顯示功能的。1、對(duì)變量進(jìn)行聲明如前面所說(shuō)，為了避免開(kāi)發(fā)人員對(duì)一些控件的名稱混淆，聲明變量時(shí)，最好是根據(jù)控件的類型和控件任務(wù)進(jìn)行命名。比如對(duì)濕度的采集按鈕Button控件的命名為btn_etHumidity。2、通過(guò)唯一的ID來(lái)獲取控件前面介紹中，一個(gè)控件有一個(gè)唯一的ID，使用控件時(shí)要根據(jù)findViewById（）方法獲取控件。在布局文件中濕度按鈕控件的ID設(shè)置為btri一etHumidity，在Java源代碼中變量聲明時(shí)的命名可以和ID名稱一致，在這里我們?nèi)∠嗤拿Q，3、添加監(jiān)聽(tīng)事件只有給控件添加了監(jiān)聽(tīng)事件，點(diǎn)擊按鈕控件才會(huì)才會(huì)有響應(yīng)，否則點(diǎn)擊按鈕動(dòng)作無(wú)效。在采集濕度時(shí)，對(duì)B。tton控件的監(jiān)聽(tīng)是使用了其onClickListener屬性。就如前面章節(jié)中的內(nèi)容所述，可以在布局文件中定義onClick方法，再去EnvironmentActivity中實(shí)現(xiàn)該方法，具體的過(guò)程如下所述。5.2.4系統(tǒng)閥值設(shè)定本論文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中對(duì)室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的參數(shù)主要有以下幾種：溫度、濕度、二氧化碳、光照強(qiáng)度、甲醛和PM2.5。該模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其閡值進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)某一個(gè)參數(shù)的值高于或者低于設(shè)定數(shù)值時(shí)，就會(huì)有提示信息告知用戶，該模塊的頁(yè)面設(shè)計(jì)如下圖5.12所示。圖5.12系統(tǒng)閡值設(shè)定頁(yè)面對(duì)系統(tǒng)閡值設(shè)定模塊設(shè)計(jì)中，布局文件中不僅用到了前面所說(shuō)的線性和相對(duì)兩種方式，還使用了表格布局方式（TableLayout），這種布局方式特別的規(guī)整，行是行，列是列。大家可以在腦海里想象一下，一個(gè)TableLayout就類似與一個(gè)表格，一個(gè)TableRow對(duì)象就相當(dāng)于一個(gè)行，你可以在這個(gè)表格里面任意寫(xiě)入你需要的數(shù)據(jù)和控件。本論文中對(duì)于系統(tǒng)中的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行上下限的設(shè)置，在頁(yè)面的最低端有三個(gè)button按鈕，分別是保存、清空和取消。4.2.5報(bào)警記錄當(dāng)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)中的某一個(gè)值超出設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)給用戶發(fā)送報(bào)警信息，提示用戶某一個(gè)參數(shù)值超出其設(shè)定值，從而用戶根據(jù)提示來(lái)采取相應(yīng)措施將參數(shù)值降低。本系統(tǒng)中報(bào)警記錄模塊設(shè)計(jì)中，使用了Listview控件來(lái)顯示報(bào)警記錄的列表。該操作頁(yè)面中可以冊(cè)日除某一條的報(bào)警記錄，也可以全部清空，也可以點(diǎn)擊返回菜單返回主頁(yè)面。4.2.6家電控制當(dāng)室內(nèi)環(huán)境中的某一個(gè)環(huán)境參數(shù)高于設(shè)定值時(shí)，下位機(jī)就會(huì)向用戶發(fā)送報(bào)警短信提示用戶。這個(gè)時(shí)候用戶可以根據(jù)情況來(lái)對(duì)家電進(jìn)行操作，下發(fā)控制指令給下位機(jī)，比如控制窗簾、冰箱或者空調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。Android端頁(yè)面的設(shè)計(jì)如下圖5.13所示。4.3通信協(xié)議設(shè)計(jì)前面我們介紹了對(duì)硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行了搭建。要想實(shí)現(xiàn)下位機(jī)傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)軟件中，必須要實(shí)現(xiàn)通信。為了保證通信的安全性、可靠性和準(zhǔn)確性，需要自定義通訊協(xié)議，也就是約定好雙方數(shù)據(jù)的解碼和編碼方式，包括一致的基本數(shù)據(jù)類型、業(yè)務(wù)類型、字節(jié)序、消息內(nèi)容等。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了TLV（兩pe-Length-Value）編碼協(xié)議。其中兩pe字段是關(guān)于標(biāo)簽和編碼格式的信息；Length字段定義數(shù)值的長(zhǎng)度；value字段表示實(shí)際的數(shù)值。（1）數(shù)據(jù)上傳編碼格式（如表5.1所）表5.1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議下位機(jī)中的溫濕度傳感器模塊、二氧化碳傳感器模塊、光照強(qiáng)度傳感器模塊、甲醛傳感器模塊和PM2.5傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)按照通訊協(xié)議組成一個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送至平臺(tái)服務(wù)器。通信過(guò)程中，通過(guò)截取兩個(gè)0x7E之間的數(shù)據(jù)來(lái)獲得一個(gè)數(shù)據(jù)幀，通過(guò)校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)判斷是夠?yàn)檎_的數(shù)據(jù)幀，如果是正確的數(shù)據(jù)幀，將通過(guò)獲取“sensorTyPe”值判斷該條數(shù)據(jù)是何種信息，如溫度、濕度、光照、甲醛等信息，然后獲取“Date”位的數(shù)據(jù)值，就成功的解析了該條數(shù)據(jù)，比如“溫度，23℃”。因?yàn)椴煌膫鞲衅鞑杉氖覂?nèi)環(huán)境的參數(shù)不同，也就是采集的信息不同，所以為了區(qū)分信息的類型，我們將不同的傳感器類型賦予不同的值，比如溫濕度信息的SensorType=01，二氧化碳濃度信息的SensorType=02，光照強(qiáng)度信息的SensorType=03，甲醛信息的SensorType=04，PM2.5濃度信息的SensorType=05。以網(wǎng)關(guān)上傳的溫度信息為例，數(shù)據(jù)幀如下表5.2所示：表5.2網(wǎng)關(guān)上傳溫度的數(shù)據(jù)幀（2）平臺(tái)下發(fā)命令編碼格式（如表5.3所示）表5.3控制命令下發(fā)數(shù)據(jù)協(xié)議當(dāng)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，CPRS模塊會(huì)發(fā)送短信給用戶，用戶這時(shí)可以采取相應(yīng)的措施來(lái)控制家電設(shè)備的開(kāi)關(guān)。用戶下發(fā)命令給網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)通過(guò)指令控制家電設(shè)備的打開(kāi)或者關(guān)閉。所以對(duì)于控制的設(shè)備類型和要操作的值（打開(kāi)或者關(guān)閉）按照通訊協(xié)議組成一個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過(guò)截取兩個(gè)Ox7e之間的數(shù)據(jù)來(lái)獲得一個(gè)數(shù)據(jù)幀，通過(guò)校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度位來(lái)判斷是否為正確數(shù)據(jù)幀。如果數(shù)據(jù)幀正常，將該數(shù)據(jù)幀進(jìn)行轉(zhuǎn)化和處理，發(fā)送給下位機(jī)的響應(yīng)的家電設(shè)備控制器，控制器通過(guò)獲取“SensorType”值判斷該條數(shù)據(jù)是否屬于自己，如燈光控制器接受到數(shù)據(jù)后判斷出是控制燈光的指令后獲取“Date”位的數(shù)據(jù)值，判斷要做的具體操作是打開(kāi)還是關(guān)閉，控制繼電器完成正確操作，最終實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)家電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。第5章系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用5.1通信測(cè)試由于校園網(wǎng)是局域網(wǎng)，如果CPRS通信模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器的話，該服務(wù)器必須具有公網(wǎng)IP。所以考慮到經(jīng)濟(jì)性，借助于內(nèi)網(wǎng)動(dòng)態(tài)域名解析軟件，比如花生殼、nat123等等。該系統(tǒng)的通信測(cè)試中，選擇花生殼軟件，由于軟件從下載安裝到設(shè)置較簡(jiǎn)單，所以就不再?gòu)?fù)述整個(gè)過(guò)程。采用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手來(lái)進(jìn)行通信測(cè)試，如圖6.1所示，當(dāng)連接成功后，就可以接受來(lái)自Web平臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)。圖6.1通信測(cè)試5.2硬件平臺(tái)測(cè)試對(duì)于