环境监测装置设计

2环境监测装置设计的相关技术2Relatedtechnologyofenvironmentalmonitoringdevicedesign2.1嵌入式系统简介（Introductiontoembeddedsystem）微电子技术与20世纪中期兴起并迅速发展，同时，嵌入式技术也悄然兴起。进年来，通信、电子产品和计算机之间相互融合并飞速发展，嵌入式系统成为了人们研究的焦点。嵌入式系统是为了特定的环境而设计的，根据实际应用中需要的器件，对软件和硬件进行相应的裁剪，主要用于用户对系统装置有功能、成本、可靠新、耗电量以及体积等有着多种综合性严格要求的地方。嵌入式系统的主要组成部分是软件和硬件。软件的组件包括操作系统和应用程序。操作系统的作用是管理，主要负责与硬件相关的应用程序进行交互，而应用程序则负责整个嵌入式系统运作的流程和相应的行为。硬件部分包括微处理器、外围设备、I/O端口、存储器等。嵌入式系统没有如计算机那样的存储介质，而是采用FlashMemory（闪存）或EPROM等存储手段。2.2ARM微处理器简介（IntroductiontoARMmicroprocessor）同时能做到高性能和低功耗是ARM微处理器的主要特点。ARM处理器目前主要有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11、Cortex、SecurCore等系列。ARM11处理器的主要设计目的是提供相当于64位处理器高性能和高能效的性能，却只花费32为处理器的成本。ARM11具有更多的有时，低功耗和媒体处理能力让他能更多的应用到手机开发上面；因为它有着更高的数据存储量，所以在基于网络的应用开发上他也有着更好的市场；同时，它也有着更好的浮点运算能力。，此外，强大的中断和异常处理功能在处理实时任务方面更有优势。2.3Android操作系统（Androidoperatingsystem）Android一次的本意是指“机器人”，同时也是Google公司于2007年11月5日宣布的基于Linux内核开发的开源操作系统。该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成，号称是首个为移动终端打造的正真开放和完整的移动软件。Android采用Java作为编程语言，使得数据的接口到应用程序的功能都可以不断变化。其中Activity等同于J2ME的MIDlet，一个Activity类负责创建视窗，一个活动中的Activity就是在前景模式，背景运行的程序叫做Service。两者之间通过由ServiceConnection和AIDL连结,达到复数程序同时运行的效果。如果运行中的Activity全部画面被其他Activity取代时，该Activity便被停止，甚至被系统清除。安卓系统的优势：1、就优势而言，Android平台首先是开放的。开发的平台允许任何移动终端制造商加入Android联盟。显著的开放性将使得它拥有更多的开发人员，并且随着用户和应用程序变得更加丰富，一个全新的平台将很快成熟起来。对于Android的发展来说，开放性的发展有利于人气的积累，包括消费者和制造商。对于消费者来说，最大的利益就是丰富的软件资源。开放的平台也会带来更多的竞争，这样消费者就可以以更低的价格买到他们想要的手机。2、挣脱运营商的束缚。在过去很长一段时间里，特别是在欧洲和美国，手机应用程序经常受到运营商的限制，几乎所有的应用程序都是由运营商控制的，他们使用什么功能来连接到什么网络。自iPhone发布以来，用户能够更轻松地连接到互联网，运营商的限制也更少。随着EDGE

、HSDRA这些2G至3G移动网络的逐步转型和升级，手机接入网络不再是一个笑话。3、丰富的硬件选择。这一点与Android平台的开放性有关，由于Android平台的开放性，很多厂商都会推出各种功能各异的奇怪产品。功能差异和特性不影响数据同步，甚至不影响软件兼容性。例如，如果你从诺基亚的Symbian风格的手机切换到苹果的iPhone，你也可以把Symbian的优秀软件带到iPhone上使用，你的联系信息可以很容易地转移。4、不受任何限制的开发商。Android平台为第三方开发者提供了一个非常广泛和免费的环境。因此，将不会有任何规则和条例来阻止创建新的和创新的软件。但也事物总有两面性。如何控制血腥、暴力、色情的应用和游戏是留给Android的问题之一。5、无缝结合的Google应用。今天，谷歌已经统治互联网10年了。从搜索巨头到互联网的全面渗透，地图、电子邮件、搜索等谷歌服务已经成为用户与互联网之间的重要纽带，Android手机将无缝整合这些优秀的谷歌服务。2.2物联网技术(Internetofthingstechnology)简而言之，物联网就是在物与物、人与物之间传递和控制信息。在物联网应用中有以下关键技术:1、传感器技术，这也是利用计算机的重要技术。几乎所有的电脑都处理数字信号。自从计算机存在以来，他们一直需要传感器来将模拟信号转换成能够由计算机处理的数字信号。2、嵌入式系统技术；3、智能技术：它是利用知识的手段和方法，有效地达到预期目的。将智能系统嵌入到对象中，使对象具有一定程度的智能，能够与用户进行主动或被动的通信，也是物联网的关键技术之一。4、纳米技术：是研究结构尺寸在0.1~100nm范围内材料的性质和应用，主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。2.3蓝牙技术（BluetoothTechnology）蓝牙是一种支持短距离通信的无线技术设备，能在手机、笔记本电脑、PDA、无线耳机、相关外设等诸多设备之间进行无需布线的信息交换。作为一种小范围\t"/item/%E8%93%9D%E7%89%99/_blank"无线连接技术，能在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据通信和语音通信，因此它是目前实现无线局域网通信的主流技术之一。随着蓝牙技术的飞速发展，作为一种无线数据传输与接收的技术，渐渐的成为全球开放心的技术规范，以低成本的无线短距离连接为其传输基础，为固定与移动设备通信环境建立了一个特别连接。它的基础是为固定设备和移动设备之间的通信环境创建一个无线电空间接口，将通信技术和计算机技术结合起来，使不同的3C设备可以在最近的范围内进行通信或操作，而不需要相互连接电线或电缆。简单来说，蓝牙技术是一种利用低功率波在不同的3C设备之间传输数据的技术。2.4本章小结(SummaryofthisChapter)本章介绍了本课题中使用的嵌入式系统、ARM为处理器、Android操作系统、物联网技术和蓝牙技术。在本次课题中，设计的环境监测装置通过这些技术实现采空区内数据的采集、传输和接收，很好的避免现有技术遇到的一些难题。3采空区环境监测系统总体设计3OveralldesignofenvironmentalmonitoringsysteminGoaf3.1采空区环境监测装置系统原理（Systemprincipleofgoafenvironmentalmonitoringdevice）在本文中设计的基于嵌入式系统的煤矿采空区环境监测装置适合应用于煤矿井下采空区等区域，可以收集、存储和传输环境数据。其原理是：将集成有多种传感器的环境数据采集和传输模块置放如采空区内，它可以采集采空区内部多种环境参数，并将其转换成电信号，其次将采集到的电信号放大后经由A/D转换电路将模拟量信号转换成数字信号，之后将数字信号发送到微控制器，微控制器按照数字信号处理程序进行加工处理，数字量信号形成后将数据包保存下来，并通过数据传输模块发送和接收数据实现数据收发功能，并产生蜂鸣器报警信号，最后监测人员可以通过手机蓝牙APP完成功能控制和结果查询，分析和判断采空区环境。本系统软件设计采用kile5进行软件编程，把程序编写的复杂水平大大降低，容易维护，易于实现。系统整体均采用低功耗设计，从而为采空区环境监测提供可靠地技术支持。3.2系统功能设计（Systemfunctiondesign）由于采空区内部环境危害较为严重，监测人员不适合直接进入采空区内部测量环境参数，其他技术中如布线和铺设管道也在安全和成本上有着很大的难题，因此，在基于嵌入式系统的煤矿采空区环境监测装置中采用将数据采集模块和数据接收模块拆分开的分体式结构。预先将数据采集和发射模块置放在采空区内部，采空区环境复杂，数据采集和发射模块体积不能太大。接收单元采空Android开发的手机蓝牙APP,两个模块之间通过蓝牙实现数据互联，因此本文从软件和硬件两个方面进行设计。数据采集模块为硬件系统设计，集成有温湿度和有害气体两种参数的传感器，可以采集采空区内部的有害气体浓度和温湿度两种环境指标参数数据。上述信号处理完毕以后形成数据包存储，通过蓝牙模块发送到手机蓝牙APP，并向报警模块输出报警信号。数据接收模块主要为Android开发的手机蓝牙APP，可以显示数据采集模块对应的参数数值，上下限设置，以实时监测采空区环境参数。信号接受单元接收信号单元发送来的参数数据以后，将数据处理后通过手机蓝牙APP进行显示，监测人员可以通过手机蓝牙APP获取采空区温湿度及有害气体浓度两种实时参数，并将信号接受单元存储的数据上传进行数据分析，实现采空区环境的监测功能。3.3系统硬件结构设计（Systemhardwarestructuredesign）采空区环境监测装置系统采用分体式设计，由数据接采集传输块和数据接收模块组成，数据采集接收模块在采空区中预先置放，数据接收模块在采空取工作面中由监工管理，如图2-1所示：1-信号接受单元；2-数据采集模块；G-采区工作面；K-采空区；M-煤层；H-采空取工作面1-Signalreceivingunit；2-Signaltransmittingunit；G\H-Adoptworkingface；K-Goaf；M-coalseam图3-1采空区环境监测装置组成示意图Figure3-1CompositiondiagramofenvironmentalmonitoringdeviceinGoaf环境监测系统是一个多体架构，其中一个接收单元对应多个数据收集模块。当使用时，一系列的数据采集传输模块被安排在采空区的一个固定的距离内，数据的接收模块是检测人员在采空取工作表面进行的。因条件限制，本课题只涉及数据采集传输模块和数据接收模块一对一传输。3.3.1数据采集模块组成本系统功能设计如图2-3-1所示。包括STM32F103C8T6主控电路模块，传感器模块，蓝牙模块，数据存储模块和报警模块。系统以STM32F103C8T6单片机作为控制核心，集成温湿度传感器，有害气体传感器两种环境检测传感器获取环境数据，并以蜂鸣器作为报警装置，以蓝牙作为传输模块，实现分析和监控采空区环境。传感器模块根据设计方案选取温湿度传感器DHT11和有害气体传感器MQ-5组建成传感器电路，检测环境中温湿度和有害气体数据，并将其发送给STM32，STM32将来自传感器采集到的数据发送给蓝牙模块和OLED显示屏并通过蓝牙模块发送给手机蓝牙APP，同时向蜂鸣器输出报警信号。OLED电源模块报警模块有害气体检测模块温湿度检测模块蓝牙模块存储模块OLED电源模块报警模块有害气体检测模块温湿度检测模块蓝牙模块存储模块STM3主2控F电1路03C8T6图3-3-1数据采集模块框图Figure3-3-1Blockdiagramofsignaltransmittingunit3.3.2数据接收模块组成数据接收模块利用Android开发的手机蓝牙APP，以蓝牙通信的方式唤醒数据采集模块，使其执行采集环境参数命令，然后输入微控制器进行处理和存储，通过手机蓝牙APP和OLED显示屏显示结果，蜂鸣器接收微控制器发送来的信号开始预计。通过安卓手机蓝牙APP连接测试；（1）给模块上电→开启手机蓝牙功能→打开手机蓝牙APP→扫描设备→扫描找到蓝牙模块→点击连接；（2）配对成功后模块指示灯长亮，就可以开始收发数据了。3.4系统软件结构设计（Systemsoftwarestructuredesign）系统软件结构设计的基本思路是按功能细分复杂的程序，使其被分为一系列小的功能模块，在设计程序时，先理清主程序和子程序结构框架内，分类链接，然后在分析过程中，得到同一系列的算法秒速功能。所以在实际程序设计中，有主程序、子程序等，理清不同结构件的联系，然后在进行逐步分解，最后得到一系列以功能更快为单位的算法描述。该程序编写、调试、运行清晰，经过修改，提高了程序的可靠性，缩短了开发时间，避免了程序开发时的劳动重复。数据采集模块程序模块主要包括初始化、功能主函数、数据处理、蓝牙通信等模块。3.5本章小结(SummaryofthisChapter)本章主要内容是对环境监测装置在硬件和软件设计上进行了一个简单的介绍，为接下来的设计中理清了一个清晰的框架思路，更加方面软硬件的设计。4采空区环境监测系统硬件设计4Hardwaredesignofgoafenvironmentmonitoringsystem基于嵌入式系统的煤矿采空区环境监测装置硬件设计主要有控制模块、报警模块、传感器模块、蓝牙模块、数据存储模块、电源模块和OLED显示模块构成，硬件原理图如图3-1所示。以下介绍为系统各个模块的硬件设计要求和型号选择。图4-1采空区环境监测系统硬件原理图Figure4-1Hardwareschematicdiagramofgoafenvironmentalmonitoringsystem4.1STM32单片机最小系统（STM32SCMminimumsystem）单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能是所必须的组成部分，也可以理解为单片机正常运行的最小环境。成成最小系统主要有4部分，分别为：1、单片机芯片——运行任务程序及执行相应的控制动作；2、时钟电路——为单片机运行程序提供时钟源；3、复位电路——是单片机内部各个模块处于确定的初始状态；4、系统电源——提供工作电源。要想让STM32单片机正常运行，必须具备以上四个电路。STM32单片机内部已经集成有时钟电路，所以STM32单片机只需要带有复位电路和提供工作电源，便可正常运行。以下是本文所用的STM32F103CET6单片机的最小系统。4.1.1STM32F103C8T6芯片本文所用的微处理器对计算能力及控制功能的要求相对简单，体积较小，低功耗，成本低廉。为满足本系统的控制要求，选用以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统，嵌入式系统。STM32F103C8T6是一种基于STM32系列ARMCortex-m内核的32位微控制器。他的存储器内存容量有64KB，工作电压为2V~3.6V，需要在-40℃~85℃的温度范围内工作。他的主要功能是执行下载好的电路程序和控制外部电路如图3-1-1所示。它的主要优点是包装尺寸小，价格比其他芯片的价格低，比8位单片机性能更好，使用STM32系列芯片，性价比较高、可以满足小项目和初学的需求。图4-1-1STM32F103C8T6芯片Figure4-1-1STM32F103C8T6Chip4.1.2系统时钟电路单片机可以按顺序工作，主要是根据时钟信号向主控芯片提供动力。在系统时钟的作用下，工作控制器协调芯片内部部件，使内部逻辑硬件产生脉冲信号。时钟电路是一种振荡电路，它能像时钟一样产生精确的运动。一切都是按时间顺序安排的。用来产生这个时间的电路是时钟电路。时钟电路通常由晶体振荡器、晶体振动控制芯片和电容组成。系统时钟电路原理图如图3-1-2所示。STM32有两组晶体振荡器，一组用于为单片机提供主时钟，主时钟晶体振荡器使用8MHz晶振(为方便程序中频率加倍，一般使用8MHz晶体振荡器)。一组用来为RTC提供时钟的，需要连接到32.768kHz晶振。一些低速外围设备需要使用32.768KHZ，一些高速设备使用8MHz外围设备。32.768KHz是RC时钟，如果不关注时间信息的话可以不要。图4-1-2系统时钟电路Figure4-1-2Systemclockcircuit4.1.3复位电路有电容和电阻串联的电路组成最简单的复位电路。因为电容的电压不能突变，当系统上电后，单片机的RST引脚将会出现一个持续的高电平，而这个高电平的持续时间有电路的电容值来决定。STM32单片机RST引脚检测持续到20us以上的高电平后，将会对单片机进行复位操作。因此，结合正确的RC取值将确保可靠的复位。主硬件按键复位属于系统复位之一。其中的电容C7的目的是按键消抖。其中C7电容的设计目的，是为了案件消抖，防止由按键刚刚接触/松开时的电平抖动残生的错误动作。复位电路原理图如图3-1-3所示。图4-1-3复位电路Figure4-1-3Resetcircuit4.1.4其他辅助电路为了让STM32单片机提供灵活、可靠、稳定、抗干扰性较强的控制动作，最小系统还需要具备其他附加电路。1、SWD调试下载接口——进行程序调试和下载；2、程序的启动方式控制引脚——BOOT0/BOOT1：这两个引脚可控制单片机程序的启动方式；3、电源滤波处理——此电路的电容作为系统电源的滤波处理，可减少电源出现脉动或者一直电路向外辐射电磁波。4.2电源模块(Powermodule)STM32F103C8T6单片机的电压范围是2V-3.6V，然而一般输入电压为5C。所以本文利用稳压器将5V电压输出为3.3V电压。。其原理图如图3-2所示，电压经过AMS1117稳压器将+5V电压转换成+3.3V电压。电源电路采用AMS1117芯片。MS1117是一个正向低压降稳压器，在1A电流下压降为1.2V。AMS1117有两个版本：固定输出版本和可调版本。固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V，具有1%精度；固定输出电压为1.2V的精度为2%。AMS1117内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式计算机的最佳选择。VCC_+5V：VCC_+5V引脚为外部传感器包括温湿度传感器、有害气体传感器、存储模块、蓝牙模块供电；VCC_+3.3V：VCC_+3.3VY引脚用于单片机和I/O端口,以及报警电路以及低功率电路的供电。图4-2电源电路Figure4-2Powersupplycircuit4.3存储模块(Enclosure)本系统采用的STM32F103C8T6单片机本身的存储空间不能满足要求，所以这里进行了存储容量扩展。AT24C256芯片是一种I²C总线接口的E²PROM，存储容量为256Kb内部存储空间，具有容量大、读取速率快，性能稳定、价格较低等优点，适合于本系统单片机的数据存储，存储模块原理图和实物图如图3-3所示。图4-3存储电路Figure4-3memorycircuit4.4蓝牙传输模块(Bluetoothtransmissionmodule)本系统数据接收模块以数据采集模块之间通过蓝牙通讯技术实现连接，信号的传输方式主要通过蓝牙通信技术。考虑系统的低功耗，稳定性，抗干扰能力，我选用HC-05蓝牙模块作为数据传输模块。HC-05蓝牙串口通信模块是一个基于BluetoothSpecificationV2.0的，具有EDR蓝牙协议的数据传输模块。无线工作频率是2.4GHzISM，调制方法是GFSK。模块最大传输功率为4dBm，可接收灵敏度-85dbm，板载PCB天线可在10米范围内识别通信。该模块采用邮票孔封装方式，模块尺寸为27mm×13mm×2mm，方便客户应用到嵌入式系统。它有LED灯，可以直接判断蓝牙的连接情况。模块通过BC417CSR芯片，支持AT指令。用户可以根据自己的需要改变角色(主从模式)、串口波特率、设备名称等参数，即灵活使用。其模块原理图和实物如图4-4所示。图4-4蓝牙传输模块Figure4-4Bluetoothtransmissionmodule4.5传感器采集模块(Sensoracquisitionmodule)传感器模块是一种能够采集被测信息的监测设备，能够按照一定规则将检测到的信息转换为电信号或则其他所需要的信息输出，从而满足信息处理、存储、传输。他是实现自动监测和自动控制的第一步，传感器按物理规则分类可分为光电、压电、温度、气体成分、适度、速率、位移及浓度等传感器。本文仅设计温湿度传感器和有害气体传感器，以下对这两种传感器分别进行介绍。4.5.1温湿度检测模块温湿度检测模块采用的是DHT11温湿度传感器。DHT11是一种常见的温湿度传感器型号，可以检测周围环境的湿度和温度。湿度的测定范围为20%-95%（0℃-50℃的温度范围内），湿度测量误差为±5%；温度测定范围为0℃-50℃，温度测量误差为±2度。本课题选用DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。选这个传感器是因为它采用的专用数字模块采集技术和温湿度传感技术，能确保产品有很棒的长期和稳定可靠性。并具有低成本、相对湿度和测量温度，反应迅速、抗干扰能力强、信号传播距离长、数字信号输出、精准校准等特点。该传感器包括电容式水分传感器和NTC温度传感器，它包括一个因素,测量湿度电容和编号的温度NTC一个气候因素,并被连接到一个MCU8-bit效率高。其原理图如图4-5-1所示。图4-5-1温湿度传感器Figure4-5-1Temperatureandhumiditysensor4.5.2有害气体检测模块MQ-5气体传感器使用的气体传感材料是二氧化锡，SnO2在清洁空气中具有较低的电导率。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-5气体传感器对丁烷、丙烷和甲烷高度敏感。该传感器可以检测多种可燃气体，是一种低成本的传感器，适用于多种应用场合。当传感器所处的环境出现有害气体是，有害气体浓度上升，相应的传感器内部的电导率也会随之上升，对应的输出气体浓度的电压或者数字信号，有害气体监测模块原理图如图4-5-2所示。图4-5-2有害气体监测模块Figure4-5-2HARMfulgasmonitoringmodule4.6报警模块(Alarmmodule)当采空区内温湿度和有害气体浓度超过设定值是，主控芯片就向报警模块发射报警信号，蜂鸣器开始报警。。其中蜂鸣器电路部分采用的是有源蜂鸣器模块，高电平触发，直接连接单片机I/O口，单片机I/O在通常情况下维持低电平，当外部环境出现异常时升高电平。报警模块电路原理图如图3-6所示。图4-6报警模块Figure4-6AlARMmodule4.7本章小结(SummaryofthisChapter)本章主要内容是基于嵌入式系统的煤矿采空区环境监测装置的硬件电路设计，对各个电路设计进行了说明，包括控制模块、报警模块、传感器模块、蓝牙模块、数据存储模块、电源模块所用到的各元件的型号选择及各模块原理图的绘制。5采空区环境监测系统软件设计5Softwaredesignofgoafenvironmentmonitoringsystem本文开发的采空区环境无线监测系统的数据处理与存储是由单片机完成的。若要实现各种功能需要将编程指令写在单片机上，通过单片机进行处理。在单片机程序开发的过程中，由于单片机没有类似于计算机的可视操作界面和键盘、鼠标等易于操作的工具，因此，为了使开发过程简单高效，程序调试方便快捷，快速检测出程序的功能特点，选择了Keil5来辅助单片机的开发，软件程序的创建、编辑、连接、下载、调试等过程。本文系统采用的是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统keil5，可以进行程序的编写、编译、调试、修改。采用keil5软件进行硬件调试，软件代码的编写采取模块化构造设计，程序的设计、调试和维护等操作简洁明了，使得参数的测量精度得到提高。5.1软件总体结构设计（Softwareoverallstructuredesign）本文设计的嵌入式环境监测系统，采用分体式结构，由数据采集模块和信号接收部分两部分组成。数据采集模块位于采空区内，通过传感器收集环境参数信号，数据信号处理后发送给OLED显示屏显示并通过蓝牙通信传送到数据接收模块，数据接收模块设计为手机蓝牙APP软件，在手机上，监视员携带数据接收模块接近采空区，可通过手机蓝牙APP软件发送信号，命令数据采集模块进行参数采集和传送动作。手机蓝牙APP可以接收数据采集模块发送的参数信号，它可以通过模块发送给接收方。数据接收模块具有显示、设置上下限等功能。因此，在编写软件程序时，数据采集模块和数据接收模块将分别编写系统程序。两个部分应用程序通过模块设计分别建立相关指令程序，应用程序中使用相同的变量，用功能主函数调用相关命令程序，完成系统应用程序的整体功能。软件总体结构设计程序结构流程图如图5-1所示。开始开始初始化STM32发送报警信息初始化STM32发送报警信息初始化传感器初始化传感器OLED显示OLED显示采集数据存储数据收集数据存储数据收集数据蓝牙模块超出限定值？N蓝牙模块超出限定值？手机APPY手机APP蜂鸣器响应蜂鸣器响应图5-1数据采集模块系统设计程序结构流程图Figure5-1Flowchartofsignaltransmittingunitsystemdesignprogramstructure5.2数据采集模块程序设计（Programdesignofsignaltransmittingunit）数据采集模块的功能主要是通过传感器采集采空区内部环境参数信号，放大丁烷，丙烷,甲烷以及温度模拟量信号，发送到A/D转换器，完成A/D转换，然后输入到单片机进行数据处理，最后，将数据发送到蓝牙发送模块发送。数据采集模块程序分为功能函数和命令子程序。命令子程序由以下部分组成：（1）数据采集模块初始化子程序；（2）环境参数信号采集与处理子程序；（3）蓝牙通信子程序。5.1.1数据采集模块初始化子程序数据采集模块通电后，STM32单片机开始初始化过程，给系统供电之后，由功率损耗复位模块产生系统复位信号，并在复位信号的作用下对单片机的各个模块进行初始化。单片机内部各模块初始化完成后，系统开始执行用户编写的程序。单片机内部初始化的流程图如图5-1-1所示。执行用户程序各系统模块复位产生复位信号断电复位供电启动执行用户程序各系统模块复位产生复位信号断电复位供电启动图5-1-1STM32F1单排年纪内部初始化流程图Figure5-1-1STM32F1singlerowinternalinitializationflowchart在单片机内部初始化后，开始执行用户程序，初始化整个数据采集模块。其程序如图5-1-2所示。图5-1-2程序初始化Figure5-1-2Programinitialization5.1.2环境参数信号采集与处理子程序此部分由有害气体传感器程序，温湿度传感器程序，A/D采集程序，数据处理子程序组成。温湿度数据采集电路根据传感器的特性，使用串口与单片机通信。本系统设计的温湿度数据由温湿度传感器DTH11提供。其程序如图5-1-2.1所示。图5-1-2.1DHT11程序Figure5-1-2.1DHT11program有害气体浓度检测，使用的是MQ-5传感器模块，该模块可以输出数字电平和模拟电压。其中，数字输出可直接接入单片机I/O接口；模拟电压接ADC后，可以向单片机发送转换后的有害气体浓度数据。其程序如图5-1-2.2所示。图5-1-2.2MQ-5程序Figure5-1-2.2MQ-5program5.1.3蓝牙通信子程序蓝牙通信模块的最用主要是接收数据采集模块到的数据并发送给手机蓝牙APP，首先系统通过UART给蓝牙模块发送一系列初始化命令。蓝牙模块返回事件，交互完成一系列的复位，鉴权，读地址等初始化操作。之后等待手机蓝牙APP的连接请求获得一个连接句柄，从而进行数据交换。其程序如图5-1-3所示。图5-1-3蓝牙通信子程序Figure5-1-3Bluetoothcommunicationsubroutine5.3数据接收模块程序设计（Programdesignofsignalreceivingunit）在本系统设计中，不单单只靠单片机来执行操作，还需要数据接收模块配合数据采集模块同时工作。数据接收模块为OLED显示模块、蜂鸣器报警模块蓝牙APP手机客户端。其中数据通过手机APP界面的搭建会更好的显示采空区内信号发射模块传输的数据参数，比较适合基于嵌入式系统的煤矿采空区环境监测装置的基本需求。5.3.1OLED显示子程序本系统设计中，OLED显示模块作为对比模块，为了能确定手机蓝牙APP接收数据准确性。其程序如图5-3-1所示。图5-3-1OLED显示子程序Figure5-3-1OLEDdisplaysubroutine5.3.2报警模块子程序报警响应部分，采用了蜂鸣器响应，作为单片机的报警响应部分。其中蜂鸣器电路部分采用的是有源蜂鸣器模块，高电平触发，直接连接单片机I/O口，单片机I/O在通常情况下维持低电平，当外部环境出现异常时升高电平。其程序如图5-3-2所示。图5-3-2报警模块子程序Figure5-3-2Alarmmodulesubroutine5.3.3蓝牙通信子程序如图5-3-4.1所示，手机蓝牙APP通过蓝牙串口控制单片机的操作，单片机控制检测装置开始监测采空区环境，并将检测到的数据参数发送到单片机，单片机再将数据参数通过蓝牙模块发送到手机蓝牙APP，就能在手机蓝牙APP上显示采空区内信号发射模块所采集到的环境参数，从而采取措施。其数据交换程序如图5-3-3所示。监测设备监测设备STM32STM32单片机蓝牙串口蓝牙串口手机蓝牙手机蓝牙APP图5-3-3系统流程图Figure5-3-3systemflowchart5.3.4手机蓝牙APP用户界面搭建手机APP的设计旨在对移动客户端用户界面的搭建，通过移动客户端用户见面去直观的显示数据采集端在采空区内采集到的数据参数。本课题手机蓝牙APP界面搭建用的是QTCreator软件。QTCreator是跨平台的QTIDE，设计目的是使开发人员能够利用QT这个应用程序框架更加快速的完成开发任务，QTCreator包括项目生成向导、高级的C++代码编辑器、浏览文件及类的工具、集成了QTDesigner、QTAssistant、QTLinguist、图形化的GDB调试前端，集成qmake构建工具等。QTCreator的功能和优势在于它使用强大的C++代码编辑器可快速编写代码，能使用浏览工具管理源代码，并且它为QT跨平台开发人员的需求而量身定制。搭建好的手机蓝牙APP用户界面如图5-3-5所示.图5-3-4蓝牙APP用户界面Figure5-3-4Bluetoothappuserinterface5.4本章小结(SummaryofthisChapter)本章节主要是基于嵌入式系统的煤矿采空区环境监测装置软件设计，以keil5软件开发系统为基础，进行软件编程。设计了系统初始化、环境参数采集、蓝牙数据传输以及手机蓝牙APP等程序以使设计的装置能完整运行。6系统的调试与检测6Debuggingandtestingofthesystem为了验证系统的功能和性能，系统的硬件和软件设计完成后，需要调试和测试，在硬件和软件调试的整合过程中，为防止在出现不同的问题是能准确确定问题出在何处，所有的模块都被单独调试，每次调试时保证系统中只有一个未知因素，其它因素或者环节已知或者可控。6.1测试环境（Testingenvironment）硬件原理图开发工具为立创EDA，使用工具包括自制电路板，万用表，对电路板进行制板、芯片焊接、检测、上电调试后，确认功能正常，没有出现短路等情况，然后进行各个模块的功能测试。测试项目包括温湿度采集测试、有毒气体浓度采集测试，蓝牙通信通讯测试以及综合测试等。调试与测试环境如图6-1所示。图6-1调试与测试环境Figure6-1Debuggingandtestingenvironment6.2蓝牙数据传输测试（Bluetoothdatatransmissiontest）在测试中，主要是通过手机蓝牙APP接收数据传输单元发送过来的参数来得到传感器采集到的数据，所以首先测试手机蓝牙APP能否接收到传感器采集到的数据。6.2.1温湿度采集测试温湿度传感器选用DHT11温湿度传感器，通过手机蓝牙APP接收数据传输单元发送过来的温湿度参数，与当前室温对比进行验证。为避免其他部分影响，单独使用STM32F103C8T6温湿度测量程序进行试验和验证。如图6-2-1所示。图6-2-1温湿度采集测试 Figure6-2-1Temperatureandhumiditycollectiontest6.2.2有害气体浓度采集测试同理遵循分布调试的原则，对系统有害气体弄懂采集模块进行单独测试。测试的有害气体浓度采用MQ-5有害气体传感器，通过手机蓝牙APP接收有害气体浓度参数。如图6-2-2所示。图6-2-2有害气体浓度采集测试Figure6-2-2.Collectionandtestingofhazardousgasconcentrations6.5本章小结(SummaryofthisChapter)本章以嵌入式环境监控终端为测试对象，运用软硬件协同测试手段对其进行了完全测试。完成了监控终端的模块级测试和系统级测试。用实验手段验证了嵌入式环境监控终端的可靠性和有效性。经过模块测试和系统测试。7总结和展望7SummaryandProspect7.1主要结论（Mainconclusions）本文在研究了采空区环境参数监测方法的基础上，分析了现有的煤矿采空区环境监测方法的优点和缺点，结合煤矿采空区的具体情况，。提出了一