【《基于GSM的空气质量监测系统设计》7300字】

一、绪论1.1课题来源空气是生命得以正常维持的重要因素，而甲醛、氨气、苯等有害物质是严重危害生命健康的存在。经人们研究发现，威胁人类健康的因素中环境污染所占比重日渐加重，由此可见对空气质量进行实时监测十分必要。温度、湿度和空气污染是人们对空气质量做出评价的重要指标。传统的有线数据传输方式存在着布线繁琐、环境干扰较多、经济费用高等缺点。随着我国无线通信网络的快速形成和发展,其中数据传输的速率也在不断地得到提高,并且使得我国的无线通信技术已经步入工程自动化控制阶段，无线通信技术的发展使得监控系统传输速度更快、受影响更小、更经济。随着现代社会人们物质和文化水平的进一步提升,人们在生产和服务方面都提出了更高的要求。在社区、学校、工厂等诸多地方的人们大多都有一个共同的诉求，希望可以拥有一个能够实时监测空气质量的设备，并提醒人们做出防范，能够让自己在每日生活工作的地方得以安心。于此同时，随着人们在经济生活上的飞速进步，环境污染问题也变成了处于经济建设需考虑的首要问题，环境质量日益下降，环境污染现象屡屡出现：如工业排污、汽车尾气、焚烧秸秆等，其行为的产物例如粉尘颗粒已经严重的危害了人们的身体健康。在GSM通信技术快速发展的背景下，环境自动监控的趋势一定会是实时监控和数据传输，那时空气质量的监测将变得非常高效且极具有可靠性。而我国空气质量监测设备的现状是已有设备基本上都只有比较单一的环境检测功能，做不到实时监测的能力，无法对所收集到的数据进行有效的分析利用，满足不了人们此时此刻要求。由此可见，开发并研制一个能够多场地、高效率、低成本、测量误差小的实时监测系统变得十分重要。本文就在在单片机和GSM通信技术的基础上，利用了单片机技术、传感器控制技术及无线通信技术设计而出的环境监测系统。经过测试修改总结后，我们得出此系统可以方便的安装与各个场合，能够精确地测量出数据并呈现给人们，十分漂亮的解决人们对空气质量检测所提出的问题。1.2课题的目的和意义利用GSM原理制作一套空气质量监测系统设备，以完成操控者给GSM模块发送短信息指令控制设备监测空气质量的目标。在自动化技术中无线监测系统具有更重要意义，因为相比之下GSM原理进行的数据传输比有线传输方式更有优势，概括起来有：1.提高了劳动生产率；2.提高了产品的质量；3.减轻了劳动强度；4.改善了劳动条件5.可以随时的增加或减少监测点，也可以随时改变监测点。该种检测系统在人们日常生活中具有很强的现实意义。1.3国内外研究状况在14世纪出现了最早一批的减少室外空气中有害物质的方法,其中最具代表性的方法就是伦敦烟雾法。而我国在世界环境改善监测系统研发队伍中属于起步较晚的行列，部分国家起步较早，其环境监测改善系统已经朝着自动化的方向前进，相对我国有较大的的领先。随着我国社会的进步与发展以及经济的不断增长,我们虽然让自己迎来了美好的生活，但同时又给我们的环境造成了极其严峻的损害。最近,随着我国空气质量的不断恶化,人们最常说到的话题就是如何去保护环境。随着日常生活中恶劣天气的不断出现,如雾霾、沙尘、沙暴等，近几年来市面上已经出现了大量的新型空气净化器系统,由此可以看出人们非常看重空气质量的改善和提高。随着科学技术研究的不断深入,人们已经对空气质量污染的主要原因和其影响的因素都有了更加深入的认知,解决空气污染问题的方案和措施正在不断地得到完善。二、系统的总体结构与功能2.1总系统结构该监测系统大致分为两个部门，分别是外部部门-远程监控站和内部部门-监测中心。外部部门的主要工作器件为GSM通信模块SIM0900a、单片机控制模块芯片STC89C52、各种指标传感器模块和显示模块；而内部部门的主要工作主体是PC机和监控分析软件。总系统的结构框图如图2.1所示。监测中心GSM模块显示模块STC89C52监测中心GSM模块显示模块STC89C52粉尘检测模块可燃气体检测模块温湿度检测模块2.2系统的功能系统外部的远程监测站能够时刻不停的检测收集当前环境中的温度指标、湿度指标和有害气体浓度等，并将数据利用GSM原理进行传输到监测中心，然后进行实时更新、实时显示。远程监测站进行不间断的空气环境监测和数据读取，并且每隔一段时间就会将最近监测的数据发送到监测中心进行处理。监测中心系统通过对每天的采样数据进行发布、上传数据库和数据分析统计，并对目标站点的环境空气质量进行发布和预警。三、硬件电路设计主要的硬件设备包括：单片机STC89C52、温湿度传感器DHT11、粉尘传感器GP2Y1010AU0F、烟雾（可燃气体）传感器MQ-2、液晶显示模块LCD1602、GSM通信模块SIM900A。以STC89C52单片机作为主导，远程检测站可以时刻不停读取每一个监控模块所监测到的当地环境空气指标值，并将数据以一定的帧格式进行处理，利用GSM模块传输到检测中心去。3.1STC89C52单片机STC89C52单片机内置4KBEEPROM，最高运作频率35MHz。单片机的编程简单、价格不贵、下载更方便。单片机的最小系统由电源、单片机、复位电路和时钟电路所构成，其最小系统的含义是指这个完整的工作系统一定是使用最少数量的元器件和单片机所构成。单片机所需要的时钟基准由时钟电路所提供。复位电路的功能是初始化MCU。MCU的复位引脚RST可以通过添加大于两个机器周期的高电平来复位。STC89C52单片机如图3.1所示。图3.1STC89C52单片机1.晶振电路一般由晶体振荡器、晶体控制芯片和电容器等部分构成晶振电路的总体。因为单片机的运行必须依赖于稳定的时钟脉冲，所以加入晶振电路。MCU中有一个高增益反相放大器和一个内部时钟发生器，XTAL1引脚为输入口，与单片机引脚19相连，XTAL2引脚为输出口，与单片机引脚18相连。时钟电路如图3.2所示。图3.2时钟电路2.复位电路模块复位电路主要原理是将该复位电路元件复位至原先的工作状态。其工作系统原理和使用方法与启动计算器类似,但是每次启动的工作原理及其工作方法各不相同。复位电路通常是指如何利用它将该电路元件复位至原先的工作状态。就好像它好像在所有计算器程序中的一个重置程序按钮那么简单,它仍然可以将所有计算器程序返回至原始的工作状态下并进行重新程序开展。单片机的一个高电平输入复位引脚是RST,与单片机引脚9相连。它是用来控制一个高电平输入复位电路信号读出输入的一个端口。当时钟振荡器稳定工作时，如果引脚出现持续两个机器周期从低电平状态上升到高电平状态的现象，系统将实现复位操作。当RST高电平有效时，MCU在第二个机器操作周期中开始一次内部复位操作，并在RST变为低电平之前在每个机器操作周期中重复内部复位操作。在RST变为稳定的低电平之前，程序从0000H地址开始运行。上电自动复位电路如图3.3所示。图3.3上电自动复位电路3.2温湿度传感器模块温湿度检测采用DHT11传感器。DHT11传感器可以测量20%～90%RH湿度范围，所产生的误差度是±5%RH；可以测量0～50℃温度范围，所产生的误差度是±2℃。DHT11单片机拥有品质高超、反应迅速、强抗扰、高性价比等诸多优点。其引脚1VDD接电源，引脚2DATA串行数据，引脚3NC为空脚，需要悬空，引脚4GND接地。温湿度采集电路如图3.4所示。图3.4温湿度采集电路3.3PM2.5粉尘传感器模块设计选用PM2.5粉尘传感器的型号为GP2Y1010AU0F。GP2Y1010AU0F的灵敏度为0.5V/（0.1mg/m3），输入电压范围是-0.3~7V。因为STC89C52并不含有AD，所以需要在单片机与GP2Y1010AU0F之间添加一个ADC0832进行信号转换。GP2Y1010AU0F引脚1接地，引脚3接电源，引脚2与ADC0832引脚3CH1相连。ADC0832引脚1与单片机P3.2相连，引脚7与单片机P3.6相连，引脚5、6与单片机P3.4相连。粉尘传感器电路如图3.5所示。图3.5粉尘传感器电路3.4烟雾传感器模块烟雾传感器采用MQ-2型传感器。它是一种二氧化锡半导体气敏材料，表面离子型N型半导体。在200-300℃时,二氧化锡通过吸附在空气间隙中的氢化氧和阳极负离子并进而形成对氢和氧阴阳极负离子的有效吸附,降低了对其他半导体的电子密度,增加了半导体的电阻。当其与烟气发生接触时，烟气改变了晶界的阻挡层，改变了其表面电导率。充分理应这些信息，我们就可以知道，当烟气浓度越高时，电导率就会越大，此时输出电阻就会越低，输出模拟信号也变得越大。MQ-2烟雾传感器可以精确检测出多种有害污染气体，尤其是对可燃气体有较高的敏感性，像液化气、甲烷、丙烷、氢气等，且不仅具有长期的产品使用寿命和可靠的运行稳定性,并且还具备快速检测形影和自动回复的应用特点。可在温度为-10℃～+50℃，湿度≤85%RH的环境中工作。MQ-2型烟雾传感器以二氧化锡作为气敏材料，是因为当空气较为干净时二氧化锡电导率不高。传感器的电导率随着其周围环境中可燃气体浓度的变化而发生相应的改变，使用简易的输入控制电路就已经能够将其电导率的最大改变直接转换成与该气体物质和可燃气体的质量浓度相同或适应的一个进入输出控制信号，输出信号MQ经过ADC数转换到单片机。MQ-2引脚1、2、3引脚接电源，6引脚解ADC0832引脚2CH0接口。MQ-2传感器电路如图3.6所示。图3.6MQ-2传感器电路3.5液晶显示模块液晶显示模块选择LCD1602。LCD1602液晶显示器可以显示温湿度、粉尘和可燃气体传感器检测的环境参数值，并且LCD1602控制简单，制作成本也低，还有功耗不高的特点。其中"02"分别表示引脚同时可以分别同时显示两行,"16"分别表示每行引脚分别可以同时分别显示16个字符,其中引脚的值为工作电源输出输入电4.5-5.5v,工作电源输出输入电流2mA,16个引脚分别同时包括8条信号输出线和信号输入线、3条电源控制器输出线和3条电源输入输出信号线和电源输出线。液晶电视显示屏的电路基本结构中,引脚1为GND需要接地,引脚2为VCC是要连接+5v直流电源,引脚3是调节液晶电视显示屏的偏压,调节了液晶显示的色彩对比度,4、5和6引脚与单片机的P2.1、P2.0和P2.2口相连接;7-14引脚连接到单片机的P0.0-P0.7口。液晶显示电路如图3.7所示。图3.7液晶显示电路3.6GSM通信模块GSM通信模块所采用的芯片型号为SIM900A，该模块是GSM/GPRS的双频模块，其引脚1接电源，2和3引脚是发送和接收端，与单片机串行通信P3.0和P3.1口连接，4引脚接地。在3.4～4.5V的电压下工作，可与单片机串口连接。GSM通信模块电路如图3.8所示。图3.8GSM通信模块电路四、软件设计4.1监测点软件设计远程监测站点软件使用嵌入式C语言在MDK集成开发环境下编写。远程监测站点软件的总体功能模块有：空气温湿度模块、PM2.5粉尘传感器模块、烟雾传感器模块、液晶显示模块、GSM通信模块、晶振电路模块、复位电路模块等。远程监测点功能模块框图如图4.1。远程检测站点软件PM2.5粉尘传感器模块烟雾传感器模块液晶显示模块GSM通信模块晶振电路模块复位电路模块空气温湿度模块PM2.5粉尘传感器模块烟雾传感器模块液晶显示模块GSM通信模块晶振电路模块复位电路模块空气温湿度模块图4.1远程监测点功能模块框图外部监测点软件在完成上电流程之后，会初始化本设备的晶振电路模块和设备各个硬件模块。在整个系统中,它是接收并进行数据转换,之后根据协议算法对这些数据进行了打包,最后把这些数据发送到监测中心。在本文软件设计中,采用了波特率值定义为9600bps、8位数据、1位停止位、无校验位的UART通信协议驱动GSM模块进行数据传输。自定义33字节长度的自定数据帧分别是:报文头(2个单位字节)0x55和0xAA、采集的数据终端地址(2个单位字节)、温度测量数据(2个单位字节)、湿度测量数据(2个单位字节)、CO₂浓度测量数据(11个单位字节)、O₂浓度测量数据(2个单位字节)、校验和(1个单位字节)、报文尾(1个单位字节)。外部监控分站点的系统软件操作流程图结构如下图4.1所示。开始系统时钟初始化各种外设初始化各个采集数据格式转换采集空气温湿度按照协议打包采集空气中可燃气体浓度驱动GSM模块进行无线传输采集空气中结束PM2.5浓度各个传感器N一次采集完毕？Y图4.1户外监测点软件流程4.2监测中心的软件设计监控中心的上位PC机软件是采用microsoftvisualc++6.0软件进行接收和处理数据。使用C++语言进行编写每一个模块的代码，生成Exe即为一个可执行的文件。监测中心上位机软件的主要功能之一就是实时显示、监测、保存和查询各监测点空气质量监测仪发送的空气含量。首先我们是通过一个UDP会议协议数据接收来自现场监控的传感器自定义帧数据,然后由监控主机通过一个异步的socket协议进行数据接收、解包和发送提取新的UDP协议数据并打包。最后,通过发送的消息在系统主界面实时消息显示,并将其实时保存到系统数据库中,方便以后用户进行系统历史数据查询和文件打印等处理。上位PC机监控软件共功能划分为如下图4.2七个系统模块。监控中心电脑端上位机软件监控中心电脑端上位机软件历史记录查询模块PM2.5浓度实时显示可燃气体浓度实时显示空气温湿度实时显示UDP接收解包模块UDP监听启动模块P监听启动模块软件初始化模块历史记录查询模块PM2.5浓度实时显示可燃气体浓度实时显示空气温湿度实时显示UDP接收解包模块UDP监听启动模块P监听启动模块软件初始化模块图4.2上位机功能模块框图本文的软件设计方案是使用UDP协议。根据协议，上位PC机收到来自现场监控点通过监听得到传感器的数据帧后,进入异步IO响应服务功能,响应FD_READ事件,将接受到的数据读取到响应功能中的一个缓冲区,然后按照协议约定的规则进行解包,提取数据采集终端的2字节编码地址,空气中的温湿度值、CO₂浓度平均值、空气中氮氧化物含量的百分比、PM2.5浓度值等,如果解包校验不正确,向相应现场监控点发出再次重传。该软件也具备了历史资料的存储与查询功能,可以实现对各种空气组分含量的大数据分析及对污染源的跟踪。开发研制了这个系统,并对其软硬件在线的实验及调试。根据实际操作所得出的数据结果进行评估,证明该系统具有数据采集功能、信息无线传输功能、监控中心的显示功能、数据库的储存记录、统计查询等功能，都可以在此系统流程下完美可靠、准确稳定地实现。五、系统实际效果5.1系统仿真根据设计我们做出了系统的仿真，经过测试表明系统能力可以完好运行，系统仿真图像如图5.1所示。系统通电，复位电路运行，控制芯片STC89C52发出指令，首先温湿度传感器启动，在液晶显示器上显示参数，然后可燃气体传感器启动并在液晶显示器上显示参数，最后粉尘传感器启动并显示参数。三个模块反应完毕，GSM电路启动，复位电路再次运行。该结果表明仿真正常运行。图5.1系统仿真图像5.2设备操作测试远程监测点在电源供电正常的情况下，该外部监测点系统可以完美的完成工作流程，每个模块充分完成自己的任务，各传感器返回数据正常,GSM数据错误率控制在小于1%。当数据传输到监控中心后，根据设计，由microsoftvisualc++6.0软件进行接收和处理，然后解包和发送提取新的UDP协议数据并打包，将数据进行显示和发布，同时保存到数据库中。对数据库中保存的数据进行汇总，绘制环境变化折线图，以便分析环境变化的原因和预测。经测试，监控中心的信息显示及数据发布正常,对监测到的异常数据该系统有很强的的分析及预警能力。数据库中的数据便于环境变化时的分析和数据信息查询。结论针对传统环境监测仪器存在的问题，本文提出了一种拥有小型化、低功耗、多供电方式、长时间工作等优点的远程空气质量监测系统的设计方案。本空气环境监测系统由STC89C52单片机作为主要操控主体，并配合温湿度传感器DHT11、粉尘传感器GP2Y1010AU0F、烟雾传感器MQ-2从而构建而成，并且利用无线通信和其他技术，可以很好的达到对空气质量参数进行精确测量的结果。本系统强于传统监测系统的主要因素就是无线通信传输，我们设置设置监测中心用于接收数据信息，设置远程监测点用于收集发送数据信息，并且利用监测点上的GSM模块的短消息业务，把监测点与监控中心“连接”起来,将收集到的数据利用GSM原理从外部发回中心。监控中心可以同时“连接”大量的监测点，收集数据并同时进行处理，显著的节省了工作量。经过对所设计系统原型的测试,从得出的结果进行分析，得出方案可以完美适解决设计需求。该系统拥有诸多的优点：数据利用无线传输效率显著提高,软硬件维修更新方便，功能模块扩充新功能简单,制作成本便宜,结构不复杂，并且可以适应各种环境并且对环境参数的自动化采集准确，体统运行稳定可靠,具有良好的技术实用性和推广价值。该系统也存在一些缺点：若设备在停电情况下，单依靠蓄电池工作可能无法完美支持设备持续工作，且蓄电池更换不利于环保，后续可针对该方面进行改善。随着社会主义的进步,人们对于物质文化的需求也与日俱增,这必然会受到社区和人们的欢迎。相信这样一套功能强大的空气质量监控管理系统,将会具备广泛的应用和发展前景。参考文献[1]刘松,赵忠,孙学磊.基于GSM的远程家庭智能监控系统设计[J].电子测量技术,2009,(1):88-91.[2]黄培,徐立鸿,王乐达,等.基于GSM/GPRS的温室环境远程监控系统设计[J].微型机与应用,2012,31(18):45-47.[3]何金枝,毛海燕,周国运.基于单片机的GSM远程温度控制器设计[J].制造业自动化,2012,34(21):128-131.[4]鲜晓东,常超,胡颖,等.基于WSNS和GSM的室内环境监测预警系统设计[J].传感器与微系统,2011,30(6):141-144.[5]邓嘉,王贤哲.基于GSM的远程空气质量监测系统设计[J].光学与光电技术,2015,13(2):72-81.[6]张翼,刘海波,缪小平.基于GSM的人防工程环境监测短信报警平台研究[J].微型机与应用,2017,36(14):79-81.[7]张金花,蔡幸