【《一款基于物联网技术的气体集中采集监测系统设计》17000字（论文）】

PAGE44一款基于物联网技术的气体集中采集监测系统设计摘要一方面家用燃气的泄露往往会造成火灾，传统火灾报警装置对火灾的预警具有滞后性，另一方面工业生产过程中会产生一些有害气体，危害人体健康和环境安全。针对以上两个问题，论文工作设计一种基于物联网技术的气体集中采集检测系统，由气体检测部分和云平台部分构成，能够实时检测空气中一氧化碳、酒精和二氧化碳气体的浓度。首先设计气体集中采集检测系统的气体检测部分。通过对传感器模块、WiFi通信模块和单片机的选择，介绍了MQ系列气体传感器、RS-485二氧化碳变送器、ATK-ESP8266通信模块和STM32F103ZET6开发板及其外设的功能与使用方法，并实现了系统的气体检测部分的功能。然后设计气体集中采集检测系统的云平台部分。在MDK5开发环境下运用C语言编写程序，实现数据采集和上传功能。利用OneNET云平台的数据处理功能，实现气体浓度数据可视化和远程监控。最后在不同环境下对系统功能进行了测试，测试结果验证了系统具有操作简单、易于维护、实时检测和远程监控的特点，设计符合系统要求。关键词：气体检测，OneNET云平台，物联网目录摘要……………………Ⅰ第1章一级标题…………………11.1二级标题……………………11.2二级标题……………………5第2章一级标题………………102.1二级标题……………………102.2二级标题……………………152.3二级标题……………………202.3.1三级标题………………202.3.2三级标题………………25第3章一级标题………………303.1二级标题……………………303.2二级标题……………………353.3二级标题……………………403.3.1三级标题………………403.3.2三级标题………………45参考文献……………………50附录……………………51第1章绪论1.1研究背景与意义天然气、液化石油气、水煤气的使用，丰富了人们日常生活中使用能源的选择的同时也带来了极大的安全隐患。工业生产过程中产生的如乙醇等挥发性气体，增加了发生火灾事故的几率，同时污染环境。[1]针对这些气体所引发的事故的检测是一个重要课题，传统检测模式在火灾已经发生后进行检测与报警，缺乏及时性与前瞻性。在火灾还未发生的阶段即对燃气泄露检测，从而预防火灾的发生具有重要意义。电子技术、嵌入式系统和网络技术被广泛应用的今天，物联网取得了飞速发展，已经深入至各行各业。在火灾检测方面，物联网技术被大力采用，承德石油高等专科学校的吴凤泉，李杰和胡得双为设计了一种基于ZigBee技术的无线火灾报警系统。解决目前火灾报警系统采集通过有线网络与向上位机发送报警指令的方案存在的布线复杂，容易出现线路老化的问题[2]。在气体检测上，王江伟、王红义、崔恺等人为了测定分布式光纤温度传感器的有效检测范围及适用性，采用了控制变量的方法进行了模拟实验[3]。作为新一代信息技术浪潮下的产物，物联网（IoT，InternetofThings）为未来工业通信和智能家居的发展指明了方向。物联网技术在最近几年时间得到了飞速发展，同时更多国家开始越来越重视有关物联网发展的项目和计划[4]。当前的气体检测系统绝大多数是有线系统，存在布线复杂、投入成本大、传输距离短等问题。将物联网技术运用到气体检测系统中可以实现远程监控、智能化检测、数据可视化等功能，物联网强大的信息吞吐能力可以保证数据传输的有效性[5]。基于物联网技术的气体检测系统与过去的现场测量法相比较，实现了远程无人实时无接触检测有毒有害，易燃易爆危险气体，保障了检测人员的生命财产安全。气体传感器是物联网气体检测系统的核心器件之一，研发响应速度快、精度高、适应性好的气体传感器有重要意义。[1]论文研究并设计一种基于物联网技术的气体集中采集监测系统，实时采集监测一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、正丁烷（C4H10）、乙醇（C2H5OH）的浓度数据并上报至OneNET云平台。用户可以远程实时查看各气体数据，当以上气体在空气中的的浓度超过安全值时立即报警，并且远程提醒关闭阀门。在火灾还没发生时阻断可燃物的泄露，避免发生火灾甚至爆炸事故。与传统报警装置相比，该系统直接监测可燃气体，具有可视化、实时性、前瞻性、预防性等特点。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状自上世纪三十年代开始，民众的安全意识普遍增强，越来越重视生活舒适度和环境安全，加之政府出台各项安全法规，刺激大众消费，扩大市场需求。得益于此，发达国家国家的气体传感器发展迅速。最早发明可燃气体传感器的国家是日本。美国在1996年—2002年见气体传感器产量年均增长率为27%～30%[6]。图1-1多地区可燃气体检测系统美国blackline黑线2020年提到了一款基于GOLDG2可燃气体泄漏检测仪的具有防水功能的多地区可燃气体检测系统[7]，如图1-1所示。图1-1多地区可燃气体检测系统韩国金奎元等人于2017年研发了一个具有多重效果的吸气气体检测系统[8]，如图1.2所示。该系统具有声光报警和物理震动报警功能。图1-2具有多重效果的吸气气体检测系统。日本也有专门生产气体报警器的企业，比如理研、FIGARO都是以产品响应速度快、灵敏度高、安装方便、操作简单、结实耐用，使用寿命长而著称的气体报警器厂家。在生产制造行业内，ESC公司的气体检测器既可以对厂房内的空气质量实时监测，也可以对气体浓度进行采集数据与计算。该气体检测器可以接入互联网实时传输采集到的数据，且操作容易[9]。对一氧化碳和二氧化碳气体的检测，TST公司生产的7565型综合监测仪表现优异[10]。TST公司的仪器制造水平全球领先，具有权威地位。图1-2具有多重效果的吸气气体检测系统美国和沙特联合开发重大危险源监测管理系统，对天然气开采作业进行应用研究[11]。针对化工聚集地及危险源贮存区,希腊采用了先进GIS技术，研发出危险品泄露风险管理系统[12]。国外实验室在90年代就实现了管理自动化，经过数十年的发展，其智能化程度显著加深。无线传感网络在实验室环境监测方面的应用，使得实验室安全更有保障[13]。随着移动设备的普及，各种智能管理系统逐渐便携化和移动化[14]。由此可见，国外气体检测器的研究起步早于国内，研究水平和生产技术也和国内拉开了一定的差距。科学技术是第一生产力，国家在科学技术上的大力投入会反过来影响社会发展，科技的创新最终转化成成果，产生经济效益和社会效益。发达国家在气体检测器上所做的研究和探索经验我们需要学习，将单独的气体传感器组织成传感网络，接入互联网实现远程监控的技术创新值得我们借鉴。1.2.2国内研究现状国内气体检测系统研究晚于国外，70年代初期，我国有关科研机构和企业开始着手研制可燃性气体报警器产品出货量也在一直上升。国内目前主要还是在国外现有基础上进行研发进而做出自己的产品。随着时间的推移，科技的进步，国内气体检测技术也在逐渐提高。最近几年，大众的房屋装修、空气质量方面的环保意识明显增强，刺激消费电子市场，导致室内甲醛、一氧化碳等有害气体和PM2.5监测装置等相关产品的需求量急速上涨。对其适用性、可操作性和精度的要求不断提升。无线传感技术被广泛应用[15]。在物联网的应用方面。国家提出了的“工业4.”0战略，这就要求把物联网与工业生产进行深度融合。物联网的核心之一是云平台，也即云服务器。国内目前有三家大型物联网云平台：中国移动的OneNET，阿里巴巴的阿里云，百度的百度云。它们背靠互联网，借助物联网在中国的发展浪潮，为企业和个人提供数据存储和分析服务。借助物联网实现气体集中采集也是一个研究方向，物联网加的思维模式也深入人心，我国物联网的行业发展势不可挡。图1-3一种可燃气体检测系统齐鲁工业大学的戴佩汝于2020年采用STM32F03RCT6单片机搭载检测气体的硬件，进行PID算法的仿真和测试，制作出一个硬件配置成本不到200元且操作教便捷的可燃气体检测系统，如图1-3所示。该系统能够测定甲烷浓度，当甲烷浓度超出额定标准，蜂鸣器鸣叫，排气扇电机转动。[16]图1-3一种可燃气体检测系统济南大学的王蕾研究了环境气体传感器，及其在物联网中的应用。采用ArduinoMEGA2560开发板、Sn3O4气体传感器和WiFi通信模块，以OneNET为物联网云平台，设计了能监测甲醛气体浓度的气体监测系统[4]，如图1-4所示。目前国内在气体监测方面的研究取得了一些成果。尤其是在智能家居呼之欲出，工业生产更加注重环境保护的大环境下，气体检测跟物联网云平台结合的模式正如火如荼的发展，取得了一些阶段性的成果。这些成果还需要不断完善，不断修正，为今后的发展和实现工业信息化和现代化积累经验。图1-4甲醛气体监测系统实物图1.3论文结构安排图1-4甲醛气体监测系统实物图第1章，绪论。主要介绍了研究气体集中采集检测系统的必要性和意义，及其在国内外的发展状况。第2章，系统总体设计。介绍了系统的功能，并将系统分为气体检测部分和云平台部分分别进行设计，完成了硬件各模块的选取，选择了满足设计需求的云平台。第3章，系统介绍。首先介绍了系统硬件部分各个模块的功能、参数和使用方法，其次介绍了系统所用软件开发环境，之后对OneNet云平台进行了介绍。第4章，针对气体集中采集检测系统的功能要求，对气体检测部分进行了测试，并实现了通信模块与云平台的连接，在不同环境下测试了云平台的数据传输和显示功能。第5章，总结与展望。对全文工作进行总结，分析所设计的气体集中采集检测系统的优点和研究意义。针对系统存在不足之处进行了分析，提出了改进方向。

第2章系统总体设计2.1系统功能要求针对目前气体集中采集系统存在的不足，基于物联网技术设计出一款能够实时检测并将数据上传至云端的气体集中采集检测系统，该系统可在Web端远程查看数据。本系统可检测一氧化碳、酒精和二氧化碳的浓度，方便扩展。所设计的系统需具备以下功能。远程性。本系统应用场所为家居厨房，生产车间等危险场所，是对环境安全性做检测。远程操控系统与数据远程查看能保障工作人员的人身安全。实时性。借助单片机的运算功能和互联网的高速传输功能，实现数据实时采集和实时更新。要求系统24小时不间断工作，当检测气体的浓度大于100ppm时即可检测到，实时上传浓度数据至云平台。低成本。选用硬件的价格合理，满足系统需实现的功能即可，不必选用扩展外设很多的单片机。传感器要满足检测要求，也要物美价廉。将成本控制再一定的范围内才能让最终设计出的系统为用户所接受，在市场中有竞争力。适应性。系统对不同环境的适应性是对系统的一大要求。要求系统在雷雨、沙暴、大风、极热和极冷等极端天气依然可以正常运转。操作简单，能够适应不同人群的操作水平。数据可视化。将单片机上传的数据与云平台的数据流绑定，利用云平台的数据可视化功能，用仪表盘或图表把数据直观地表示出来，便于操作人员数据的查看和读取。2.2系统总体设计方案气体集中采集检测系统框图如图2-1所示，该系统分为气体检测和云平台两个部分。气体检测部分以STM32F103ZET6单片机作为微控制器，采集MQ气体传感器和由三路直流稳压电源供电的RS-485二氧化碳气体变送器的数据，在LCD屏和通过串口通信的PC机上显示的同时，将数据上传至OneNET云平台，LED灯和蜂鸣器用来提示操作人员系统的运行状态。云平台部分选用OneNET云平台实现数据的显示和监控。单片机的ATK-ESP8266模块连接WiFi，即可将数据传输至云平台，进而借助云平台的数据可视化功能在显示界面显示数据。图2-SEQ图3.\*ARABIC1图2-SEQ图3.\*ARABIC1基于物联网的气体集中采集系统框图本章首先介绍了基于物联网技术的气体集中采集检测系统的功能要求。然后分别对气体检测部分和云平台进行设计。合理选用成本不高、功能强大的STM32F103ZET6作微控制器，并对传感器模块和WiFi通信模块进行了选取。在硬件设计完成的基础上，选择OneNET作为系统的云平台。

第3章系统介绍3.1系统气体检测部分介绍3.1.1威盟士RS-485二氧化碳气体变送器CO2变送器的使用方法图3-SEQ图2.\*ARABIC图3-SEQ图2.\*ARABIC1二氧化碳变送器该二氧化碳变送器适用于大棚农业种植、车辆检测、智能家居、环境安全监控等需要监测CO2浓度场合。为保证变送器的使用性能，对其内部传感模块、电源模块和传输线进行了隔离加工。外壳IPV65全防水，可安装在室内室外，甚至其他各种恶劣环境。产品参数如图3-2所示。由于采用了485通信协议，可以将多个该变送器组合在一条485总线使用，只要总线上多台设备间地址不冲突，便可读取到各台设备的数据。该变送器的接线如表3-1所示。表3-SEQ表2.\*ARABIC1CO2变送器接线表线色说明电源棕色电源正（10~30VDC）黑色电源负通信黄色485-A蓝色485-B图3-SEQ图2.\*ARABIC2变送器产品参数图3-SEQ图2.\*ARABIC2变送器产品参数图3-SEQ图2.\*ARABIC3CO2变送器查询和设置窗口使用10-30V直流电源为CO2变送器供电，变送器信号输出输入端通过CP2102图3-SEQ图2.\*ARABIC3CO2变送器查询和设置窗口CO2变送器的通信协议威盟士RS-485CO2变送器和其他设备采用Modbus-RTU通讯协议通信。传输数据的组成为8为数据位、1位停止位，没有使用奇偶校验而使用了CRC冗余循环码进行校验。在RS-485二氧化碳气体变送器和主机通信的过程中用到了循环冗余校验(CRC)。读取CO2气体变送器采集到的数据需要将把它作为从机，主机下发问询指令，变送器才能将数据传输给主机。实际应用时主机可以是计算机，也可以是单片机，本系统使用单片机作为主机。读取数据时单片机向CO2气体变送器发送8字节的问询帧，CO2气体变送器回复若干字节的应答帧。应答帧的长度取决于数据区的多少，本系统的应答帧占用了两个数据区，因此应答帧长度为9字节。表3-6为RS-485CO2气体变送器的寄存器地址，在本系统中只用到了0x02。表3-7是单片机发送的问询帧示例，该示例读取地址为0x01设备的CO2值。变送器检测到CO2浓度为3000ppm时返回的应答帧如表3-8所示。表3-SEQ表2.\*ARABIC6RS-485CO2气体变送器寄存器地址寄存器地

址PLC或组态地址内容操作范围及定义说明0000H40001湿度值只读0~10000001H40002温度值只读-400~10000002H40003CO2浓度值只读0~50000033H40052温度校准值读写-400~10000038H40057湿度校准值读写-400~1000003dH40062CO2校准值读写-2000~2000表3-SEQ表2.\*ARABIC7读取设备地址0x01的CO2值的问询帧地址码功能码起始地址数据长度校验码低位校验码高位0x010x030x000x020x000x010x250xCA表3-SEQ表2.\*ARABIC8RS-485CO2气体变送器读到CO2为3000ppm的应答帧地址码功能码返回有效字节数CO2值校验码低位校验码高位0x010x030x020x0B0xB80xBF0x06对表3-8接收到的数据有如下解释：BB8H(十六进制)=3000=>CO2=3000ppm，所以CO2浓度为3000ppm。3.1.2MQ系列气体传感器MQ传感器使用二氧化锡(SnO2)作为气敏材料，具有结构小巧、成本低廉、制造工艺成熟、使用简便等特点。MQ传感器作为一个系列，每款传感器能检测不一样的气体的浓度，分别应用在不同场合：MQ-2烟雾传感器可以天然气等可燃性气体，可用于燃气泄露检测；MQ-3酒精传感器可用于检测机动车驾驶人酒后驾驶呼气检测，以及酿酒厂生产车间的生产环境检测等场合；MQ-7一氧化碳传感器可用于厨房煤气泄露检测。MQ系列传感器虽然检测的是不同的气体，但是工作原理相差不大，现以MQ-7一氧化碳传感器为例进行说明。图3.SEQ图2.\*ARABIC5MQ-7一氧化碳传感器原理图图3.SEQ图2.\*ARABIC4MQ-7一氧化碳传感器实物图MQ-7一氧化碳传感器实物图和原理图分别如图3-4和图3.SEQ图2.\*ARABIC5MQ-7一氧化碳传感器原理图图3.SEQ图2.\*ARABIC4MQ-7一氧化碳传感器实物图MQ-7一氧化碳传感器的工作原理为Rs\RL=(Vc-VRL)/VRL，式中各符号所表示的物理量如表3-13所示。表3-13式(3-1)各符号所表示物理量符号物理量Rs表面电阻RL负载电阻Rs供电电压VRL负载电阻上的有效电压Vc回路电压3.1.3三路直流稳压电源本气体集中采集检测系统使用北京大华无线电仪器厂（国营七六八厂）生产制造的DH1718G-4型三路直流稳压电源为RS-485二氧化碳气体变送器供电。DH1718G-4型三路直流稳压电源输出电压在0-32V内可调节，输出电流在0-3A内可调节，可以为绝大部分电子器件提供工作电压和工作电流。由于是两路电源输出，所以既可构成单极性电源，又可构成双极性电源。此外，DH1718G-4型三路直流稳压电源具有稳压、稳流两种工作模式。电源面板上部的数字显示窗数字显示左、右两路电源输出电压/电流的值，便于调节。DH1718G-4型三路直流稳压电源如图2-7所示。电源有两种输出模式，图3-SEQ图2.\*ARABIC7DH1718E-4直流稳压电源操作电源面板上的电源跟踪按键，可以切换左右两路电源的输出处于跟踪状态或非跟踪状态；操作电源面板上的数字切换按键，可以切换数字显示窗显示输出电流值或输出电压值。DH1718E-4直流稳压电源的外形尺寸为370mm×210mm图3-SEQ图2.\*ARABIC7DH1718E-4直流稳压电源电能与社会的发展、人民的生活息息相关,是支撑着现代社会的不可或缺的能源。工业生产、国防安全、交通、日常生活等各个方面都离不开电,它的发展是社会进步和人民生活水平不断提高的需要。但是单纯的风光互补系统只能满足系统长期调度的需求,针对于短期实时调度,风光互补系统并不能够满足需求。因此,风光储联合发电系统应运而生,储能在其中发挥着重要的作用。随着分布式电源发电技术的日益成熟,大量的光伏发电系统、风力发电系统接入大电网,在微电网中光伏和风力发电机的发电量所占的比例也逐年升高。与此同时,光伏发电系统和风力发电系统并网运行后,对电力系统产生的负面影响也慢慢显现出来,主要体现在对电力系统的频率、稳定性以及发电计划和调度的影响这三个方面。并网机组较大时,如果系统备用容量较小或者是电气之间的联系不是很紧密,风光电场不稳定的输出功率会给电力系统的频率造成非常大的影响,降低电能的质量,特别是对频率敏感型的用电设备而言,会严重影响它们的正常工作。受地理环境的制约,我国的太阳能和风力资源主要分布在西北地区,与电力需求量较大的东部沿海地区相距较远,导致大量的风光电场于电力系统末端薄弱点处接入电网。在另一方面,大量风光电场接入电网将会导致电力系统的整体潮流分布变得非常复杂,该变化往往是传统微电网在设计时未考虑的,这将会严重不利于系统的稳定运行。在传统的电力系统中,在制定发电计划的时候,往往需要事先预测发电机组的出力和负荷情况。由于风光机组的输出功率的稳定性极差,导致其出力往往难以预测。无论是将风光发电场看作电源还是负荷,由于输出功率的频繁变化,这都会给电力系统调度产生极大的不便。但是,风光发电场在并网运行的时候,都是由调度部门统一控制的,这样会增大调度工作的实施难度。而且,由于受到不可控因素的影响,风光电场的发电量波动情况往往与用户所需电量波动的情况相反,在用电设备有限的情况下,大规模的功率波动是电力系统无法承担的,在这种情况下,风光电场不得不出现大量的弃风和弃光现象,风光资源得不到充分的利用。抽水蓄能电站广泛用于工业生产中,包括上池和下池,机组像常规水轮机一样发电,同时可当水泵将下池水抽到上池。当电力系统处于低负荷运行,机组用做水泵运行,在上池蓄水;处于高负荷时,机组像常规水轮机一样运行,为电网提供电能,实现低储高发、削峰填谷。层状钛基材料被认为是十分有前途的候选材料,因为它们固有的较大的中间层间距可快速插入Na+,然而,与碳负极的超低电压相比,大多数钛基负极的嵌入电压平台通常在0.5~1.0V。华中科技大学李会巧教授课题组首次通过固相法合成了一种三斜相结构的Na2Ti3O7,与传统的单斜相结构相比,三斜相Na2Ti3O7保持相似的低电位平台,Na+传输通道更平滑通畅,层状结构更稳定,循环稳定性大大提高[]。钠硫电池起初是由福特电动汽车提出的,随着进一步研究,发现钠硫电池具有高功率密度和能量密度、低成本、温度稳定等特性,然而,高温运行下的钠硫电池存在腐蚀问题和安全隐患,这成为制约其在大规模储能应用中的主要障碍,目前正在研究通过改变钠硫电池的结构来降低工作体系温度,进一步提高工作性能高温超导材料会极大降低超导磁储能系统的成本,简化运行条件,提高其性能和寿命。目前超导磁储能的研究主要以仿真实验和小型样机为主,尚未规模化应用。可再生新能源发电的不确定性和间歇性对电力系统造成很大的冲击,让电网不得不提高备用电源的容量,同时也提高了整体运行成本。国内外专家学者开始对储能系统容量配置进行大量研究,不仅可以平抑风电和光伏发电的功率波动量,而且合理的优化配置储能装置的容量可以减少电网备用电源的容量,优化电力系统运行的经济性。3.1.4正点原子STM32F103ZET6精英开发板STM32F103ZET6精英开发板概述图3-SEQ图2.\*ARABIC8STM32F103ZET6芯片本气体集中采集系统采用搭载在正点原子精英开发板上的STM32F103ZET6芯片作为微处理器。STM32F103ZET6芯片如图3-8图3-SEQ图2.\*ARABIC8STM32F103ZET6芯片图3-SEQ图2.\*ARABIC9正点原子STM32F103ZET6精英板STM32F系列芯片是由意法半导体（ST）设计出品的32位中低端ARM微控制器[17]。国内Cortex-M3市场，ST公司的STM32独占鳌头，作为最先试水Cortex-M3内核的两个公司之一，ST凭着强大的技术支持一直保持着很高的市场占有率，在激烈的Cortex-M3芯片竞争中脱颖而出[18]。STM32F103xE拥有丰富的I/O端口和外设[19]-[22]。STM32F103大容量系列芯片采用2.0V至3.6V直流电压供电，工作温度低温低至-40图3-SEQ图2.\*ARABIC9正点原子STM32F103ZET6精英板STM32F103ZET6拥有非常多的寄存器，用代码对其进行的任何操作最终都是在操作寄存器。考虑到直接操作寄存器十分困难和复杂，ST官方在开发环境层面上对寄存器进行封装，提供了一套固件库函数，用户通过调用库函数来操作寄存器，解决了直接操作寄存器过于复杂和困难的问题[36]。GPIO端口和LED灯模块STM32F103ZET6的IO口可以由软件配置成如下8种模式：1.输入浮空

2.输入上拉

3.输入下拉

4.模拟输入

5.开漏输出

6.推挽输出

7.推挽式复用功能

8.开漏复用功能每个IO通过操作寄存器自由编程。STM32F103ZET6的IO口都是5V兼容的，这些IO口在与5V电平的外设连接的时候很有优势，STM32F103ZET6的每个IO口由7个寄存器控制，包括2个32位的端口配置寄存器CRL和CRH，CRL和CRH控制着IO口的模式及输出速率。；1个32位的置位/复位寄存器BSRR；2个32位的数据寄存器IDR和ODR；1个32位的锁存寄存器LCKR；一个16位的复位寄存器BRR。STM32F103ZET6的IO口位配置表如表3-14所示。表3-14STM32F103ZET6的IO口位配置表配置模式CNF1CNF0MODE1MODE0PxODR寄存器通用输出推挽式(Push-Pull)000110110或1开漏(Open-Pull)10或1复用功能输出推挽式(Push-Pull)10不使用开漏(Open-Pull)1不使用输入模拟输入0000不使用浮空输入1不使用下拉输入100上拉输入1STM32F103ZET6的MODE[1:0]寄存器配置为01、10、11时最大输出速度被设置为10MHz、2MHz、50MHz。端口低配置寄存器CRL的描述如图3-11所示。图3-SEQ图2.\*ARABIC12LED与STM32F103ZET6连接原理图图图3-SEQ图2.\*ARABIC12LED与STM32F103ZET6连接原理图图3-SEQ图2.\*ARABIC11端口低配置寄存器CRL各位描述蜂鸣器模块蜂鸣器是一种直流供电，将电转化为声波的电子元件，因为能发出尖锐刺耳，分贝极高的鸣叫声被广泛嵌入各种报警电路中，适用于各种场景。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。图3-SEQ图2.\*ARABIC13蜂鸣器精英STM32F103ZET6开发板板载的有源蜂鸣器如图图3-SEQ图2.\*ARABIC13蜂鸣器Ic=βIb(3-2)电流Ib的β倍。选用β较大的三极管，STM32F103ZET6的IO口提供较小的电流即可驱动蜂鸣器发出声音。图3-SEQ图2.\*ARABIC14蜂鸣器与STM图3-SEQ图2.\*ARABIC14蜂鸣器与STM32连接原理图为了防止蜂鸣器的误发声，在NPN三极管的基极和发射极之间接入电阻R33。由于STM32F103ZET6芯片复位之后各IO口默认是浮空状态，电平不确定，如果不接R33，那么P8跳变的电压或电流会经三极管Q1被放大，有可能让蜂鸣器BEEP产生响声。接上R33后P8的微弱电流会经R33流入GND，只有当P8的电流或电压达到一定级别后才会经过基极被放大驱动蜂鸣器。ADC模块STM32F103板载两个ADC，为提高ADC的采样率，可以选择使用双重模式，对采样率没有很高要求时独立使用已经足够。两个ADC有18条通道，可转换16个外部输入模拟信号和两个内部模拟信号。当需要连续进行多组模拟信号转换时，可以设置转换模式为连续扫描模式，仅用一个ADC即可获得转换值，最大限度上地利用了ADC资源。对模数转换的频率和数量要求不太高时可以设置为单次，间断模式，降低开发板的功耗。STM32将ADC的转换通道由两种通道组成，包括规则通道组和注入通道组。如果将将规则通道看作正常运行的程序的话，注入通道就相当于中断。跟中断可以优先于正常程序执行类似，注入通道的转换可以打断规则通道的转换。将ADC转化分成规则通道组和注入通道组具有实际意义，比如在智能家居系统中要求实现温度查看功能，住户在家里的院子内放置5个温度探头，室内放置3个温度探头；住户需要时刻监视室外温度，但偶尔你想看看室内的温度，因此可以使用规则通道组循环扫描室外的5个探头并显示AD转换结果，当住户想看室内温度时，通过一个按钮启动注入转换组(3个室内探头)并暂时显示室内温度，当你放开这个按钮后，系统又会回到规则通道组继续检测室外温度。从系统设计上，测量并显示室内温度的过程中断了测量并显示室外温度的过程，但程序设计上可以在初始化阶段分别设置好不同的转换组，系统运行中不必再变更循环转换的配置，从而达到两个任务互不干扰和快速切换的结果。可以设想，如果没有规则组和注入组的划分，按下按钮后，需要从新配置AD循环扫描的通道，然后在释放按钮后需再次配置AD循环扫描的通道。智能家居的例子因为速度较慢，不能完全体现这样区分(规则通道组和注入通道组)的好处，但在工业应用领域中有很多检测和监视探头需要较快地处理，这样对AD转换的分组将简化事件处理的程序并提高事件处理的速度。STM32F103ZET6芯片板载得有外部参考电压Vref-和Vref+，Vref+范围为2.4~VDDA，Vref-与VSSA相连。将自定义参考电压接在Vref-和Vref+上即可根据用户的需求自行设置参考电压，具有很大程度上的自由性和灵活性。USB转串口模块串口全称串行通信接口或串行通讯接口，串行通信就是将数据按位进行顺序传输，与并行通信相比，牺牲了传输速率，优点在于降低了电路的复杂程度和成本，并且通信距离远长于并行通信。串口是MCU与扩展器件通信的桥梁，也是软件开发过程中的调试方式之一。STM32F103ZET6的串口叫通用同步异步收发器(USART)。它支持半双工单线通信和同步单向通信，还允许多处理器通信。串口还可实现高速数据通信，当使用DMA而不去调用中央控制器资源时传输速度会有一定提高。USART至少需要RX和TX两个引脚才能实现双向通信。其中RX接收数据串行输入，TX发送数据输出。当发送器被激活但串口未发送数据时，TX引脚处于高电平状态。在单线和智能卡模式里，输出引脚恢复其I/O端口配置，被同时用于数据的发送和接收。发送器根据M位的状态发送8位或9位的数据字，每个字符之前都有一个低电平的起始位；之后跟着的停止位，其数目可配置。USART支持多种停止位的配置：0.5、1、1.5和2个停止位，其中默认为1个停止位；2个停止位可用于单线、调制解调器、常规USART三种模式；0.5和1.5个停止位不太常用，它们都是在智能卡模式下使用。随每个字符发送的停止位的位数可以通过控制寄存器2的位13、12进行编程。空闲帧包括了停止位。断开帧是10位低电平，后跟停止位(当m=0时)；或者11位低电平，后跟停止位(m=1时)。不可能传输更长的断开帧(长度大于10或者11位)。发送数据需要先进行配置，配置步骤如下：激活USART、定义字长、确定停止位的位数、如果使用DMA要配置DMA使能位、选择波特率、发送空闲帧、数据写入USART_DR寄存器，配置完成后开始数据传输，等待TC=1时结束传输。图3-SEQ图2.\*ARABIC15USB转串口原理图正点原子STM32F103ZET6精英板的串口1（USART1图3-SEQ图2.\*ARABIC15USB转串口原理图表3-20所示是CH340G的绝对最大值参数，在使用CH340G时必须将各参数控制在表3-20所示范围内，否则可能损坏芯片。表3-20CH340G的绝对最大值参数参数最大值最小值VCC6.5V-0.5VVIOVCC+0.5V-0.5VTA85℃-40℃TS125℃-55℃其中VCC为电源电压、VIO为输入或者输出引脚上的电压、TA为工作时的环境温度、TS为储存时的环境温度。CH340G可采用5V和3.3V直流电压供电，两种供电情况下CH340G电气参数基本没有区别，只是当VCC为3.3V时CH340G的电流参数降为5V时数值的40％。在温度为25℃，电源电压为5V的条件下，测得CH340G的XI引脚上输入信号时钟频率的典型值为12MHz，电源上电的复位时间典型值为20ms。为了保证串口功能的多样性，串口1在开发板上是与USB串口断开的，这种设计是考虑到不需要与计算机通信及烧录代码的时候串口1依然能作为一个普通串口来使用，实现了资源利用最大化。使用跳线帽将P6的RXD和TXD与PA9和PA10连接以后实现串口1跟USB串口的电气连接，如图3-16所示。导入调试程序，电脑打开串口调试助手并设置正确的串口（CH340虚拟串口，得根据自己的电脑选择）。设置波特率为115200，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验，然后点击打开串口，可以看到如图3-17所示提示信息。勾选发送新行，在发送框输入要发送的内容，串口调试助手会自动在发送内容后天机回车换行，再点击发送，可以发现我们发送的信息被单片机原封不动地发回来（测试程序的功能就是让单片机返回接收到的数据），如图3-18所示。图3-图3-SEQ图2.\*ARABIC17串口调试助手收到的信息图3-18发送数据后收到的数据RS-485图3-18发送数据后收到的数据485是隶属于OSI模型物理层的通信标准，其电气特性与RS-232存在很大区别。RS-232的传输方式是不平衡传输方式，传输距离在20米以下，且只允许一对一单端通讯，RS-485具有接口电平低、传输快、抗干扰能力强、传输距离远等特点。RS-485采用2线，半双工，多点通信，通过两线间的电压差表征逻辑0和1。RS-485的接口电平比RS232有所降低，与TTL电平兼容。精英STM32开发板将USART2作为485通信串口，采用SP3485作为收发器。STM32F1与SP3485连接电路原理图如图3-19所示。图中A、B是总线接图图3-SEQ图2.\*ARABIC19STM32F1与SP3485连接电路原理图图3-SEQ图2.\*ARABIC20USART硬件连接示意图口，用于连接485总线。RO是接收输出端，DI是发送数据收入端，RE是接收使能信号（低电平有效），DE是发送使能信号（高电平有效）[37]。从图3-19可知，通过STM32F1的P5端口设置串口2，PD7控制SP3485的收发。总线无数据传输，处在一个空闲状态时，可能会出现逻辑混乱的情况，接入R14和R17图3-SEQ图2.\*ARABIC20USART硬件连接示意图将威盟士RS-485二氧化碳气体变送器的黄线和蓝线分别与STM32F103ZET6精英板485接口的485-A和485-B相连接，即可通过代码向二氧化碳气体变送器发送问询帧，从而读取到当前环境的二氧化碳浓度值。LCD显示屏模块TFT-LCD是薄膜晶体管液晶显示器的简称。和只能显示单/双色，尺寸较小的有机发光半导体(OLED)相比，TFT-LCD可显示彩色，型号上有2.4寸/2.8寸/3.5寸/4.3寸/7寸五种大小的屏幕可供选择，而且是触摸屏，可以直接在屏上输入实现对开发板的操控。2.8寸ALIENTEKTFTLCD模块背部是16位80并口，该模块的外观图如图3-21所示，其中左边为LCD正面，右为LCD背面。图3-SEQ图2.\*ARABIC21ALIENTEK2.8寸TFTLCD外观图(左为正面，右为背面)模块原理图如图3-22所示。图3-SEQ图2.\*ARABIC21ALIENTEK2.8寸TFTLCD外观图(左为正面，右为背面)图2.SEQ图2.\*ARABIC22ALIENTEK2.8寸TFTLCD模块原理图ALIENTEKTFTLCD模块的80并口由信号线与数据线构成。CS是片选信号输入端，通过操作CS可实现片选功能，WD和RD是读写数据的控制端，只有该端口的电平有效才能通过D[图2.SEQ图2.\*ARABIC22ALIENTEK2.8寸TFTLCD模块原理图图2.SEQ图2.\*ARABIC23TFTLCD与开发板连接示意图TFTLCD模块与MCU的连接关系如图图2.SEQ图2.\*ARABIC23TFTLCD与开发板连接示意图表3-23LCD引脚与IO口对应关系TFTLCD模块引脚精英板的IO口背光控制PB0片选信号PG12命令/数据标志PG0写数据PD5读数据PD4这些线的连接，正点原子STM32F103ZET6精英板的内部已经连接好了，我们只需要将TFTLCD模块插上去即可。实物连接（4.3寸TFTLCD模块）如图3-24所示。图3-SEQ图2.\*ARABIC24TFTLCD与开发板连接实物图3图3-SEQ图2.\*ARABIC24TFTLCD与开发板连接实物图1)ATK-ESP8266模块简介一块STM32F103ZET6精英板，接上五花八门的外设，烧录纷繁复杂的代码，实现各种各样的功能，然而从物联网的三层结构来说，依然还处在感知层。这时若往STM32F103ZET6精英板插上ATK-ESP8266模块，网络层的功能即得以实现，基于物联网的气体集中采集系统才真正有了一个雏形。ALIENTEK推出的ATK-ESP8266是一款串口-无线模块，该模块便于与正点原子的各开发板进行连接，是一个高性能的扩展器件。模块内置TCP/IP协议栈，通过串口与MCU通信。MCU只需进行简单的串口配置，向串口发送几条指令，ATK-ESP8266模块就能将数据透传出去，省去了针对WiFi模块再次编程、烧录的麻烦，对开发者十分友好。模块支持串口转WIFISTA、串口转AP和WIFISTA+WIFIAP的模式。ATK-ESP8266模块外观如图3-25所示。模块各引脚的功能表3-24所示。图3-图3-SEQ图2.\*ARABIC25ATK-ESP8266模块外观图表3-24WiFi模块各引脚功能描述名称说明VCC电源GND地IO_0操作进入固件烧写模式，低电平有效RST此端口为低电平时复位模块RXD串口接收脚TXD串口发送脚图3-26所示为ATK-ESP8266WIFI模块的原理图。2）AT指令图图3-SEQ图2.\*ARABIC26ATK-ESP8266WIFI模块原理图对WiFi模块进行配置需要向其发送AT指令，注意在透传模式下发送AT指令无效，必须先发送三个加号退出透传模式[38]。AT指令的格式为AT+<COMMAND>=<VALUE>\r\n式中\r\n为回车换行符。发送不同的指令模块会返回OK等信息提示操作是否成功，例如发送“AT+GMR”，模块会返回版本信息，包括版本号、日期等。3）配置WiFi模块为STA模式并设置为TCP客户端单片机需要向云平台发送所采集到的数据，在网络传输中属于客户端，此时云平台作为服务器处理各客户端上传的大量数据。将ATK-ESP8266配置为STA模式需要发送AT+CWMODE=1指令，设置模块为TCP客户端需要重启模块、连接WiFi热点、建立TCP连接、开启透传模式，继而传输数据。4）模块与开发板连接在精英开发板的右上角有一个ATK-MODULE插排模块，该模块内部直接与STM32的串口3相连。将ESP8266模块的插针按照正确的方向直接插入ATK-MODULE，便可实现USART3与ESP8266WiFi模块的连接，操作方便快速图3-SEQ图2.\*ARABIC27ATK-MODUE图3-SEQ图2.\*ARABIC27ATK-MODUE原理图图2.SEQ图2.\*ARABIC28单片机WiFi模块图2.SEQ图2.\*ARABIC28单片机WiFi模块实物图3.2系统软件和云平台部分介绍3.2.1MDK5开发环境MDK全称RealViewMDK为德国Keil公司所开发，最新版本是MDK5。MDK5兼容MDK4和MDK3，使用uVision5IDE集成开发环境。以往的MDK有一个缺点，它把所有组件都包含至一个安装包，这样整个工程就显得头重脚轻，比例失衡。MDK5针对这个问题做了改进，MDKCore不包含器件支持和设备驱动等组件，大小从500多M减至350M左右。MDK5安装包可以在Keil官网下载，然后进行安装。开发环境搭载好之后我们即可新建工程，编写程序，将代码烧录至开发板中运行调试。3.2.2OneNET云平台OneNET是由中国移动开发运营的，与阿里云，百度云齐名的物联网开放平台。OneNET致力于创造一个和谐的物联网生态环境，从平台上线至今已运行多年，在为用户提供良好的使用体验和专业的指导方面取得了显著的成果。每个用户在OneNET上有可以免费创建10个产品，平台官网可下载详细例程，同时提供了技术支持，为广大个体开发者带来福音，高校做物联网研究，发烧友自创项目，很大概率会选择资料齐全的OneNET。OneNET为用户在平台上建立了社区，将使用者聚集起来，为解决实际开发使用过程中遇到的难题提供了一个开放共享的渠道。OneNET云平台支持多协议接入，如HTTP、MQTT、TCP透传等。新用户使用时首先需要通过手机短信注册账号然后登陆，点击进入首页右上角的控制台（旧版开发者中心），选择多协议接入创建新产品。产品创建成功后添加设备，设备刚添加完毕可以看到设备状态显示离线，当我们通过MCU的WiFi模块访问该设备时才会显示在线。在设备界面添加数据流模板对实际传输的数据建模，以便实现数据可视化。在应用管理界面编辑显示界面，可以添加仪表盘、折线图、条形图等对数据显示，还可添加开关等实现数据从云端下发从而远程操作单片机3.3本章小结本章主要对气体集中采集检测系统的硬件部分和软件部分进行了详细的介绍和说明。硬件部分主要介绍了RS-485二氧化碳气体变送器，MQ系列气体传感器，三路直流稳压电源，以及正点原子STM32F103ZET6精英开发板的GPIO端口和LED灯模块、蜂鸣器模块、ADC模块、USB转串口模块、RS485转串口模块、TFT-LCD显示屏模块和ATK-ESP8266模块。软件部分主要介绍了MDK5开发环境和OneNET云平台。文中配有大量的图表从而对每个器件进行更详细的说明，还对各器件在系统电路中的实现做了分析。

第4章系统功能测试4.1系统气体检测部分测试图4-1基于物联网的气体集中采集系统框图如前所述，本文所设计的基于物联网技术的气体集中采集检测系统由气体检测部分和云平台部分构成。系统气体检测部分的实物图如图4-1图4-1基于物联网的气体集中采集系统框图为了对系图4-2室内正常环境下各气体浓度统气体检测部分的功能进行测试，在室内环境下借助75%医用酒精挥发和香烟燃烧的情况来模拟实际应用场景。正常室内环境的CO、酒精、CO2浓度如图4-2图4-2室内正常环境下各气体浓度由图4-2可见，此时CO和酒精的浓度都是0ppm，CO2的浓度在400-500ppm之间波动。结合第3章MQ系列气体传感器的参数分析，由于MQ-3和MQ-7气体传感器的检测范围是300-10000ppm，所以即使空气中含有极其微量的CO和酒精气体本系统不需要达到能够将其检测出来的精度。测试结果符合预期。系统运行时，STM32F103ZET6开发板的红色LED灯DS0保持闪烁，提示系统正在运行。将MQ-3酒精传感器接近75%医用酒精，MQ-7一氧化碳传感器靠近燃烧的香烟，各气体的浓度如图4-3所示，图4-3显示出酒精的浓度出现大幅上涨，CO浓度出现上涨，测试结果符合预期。4.2系统云平台部分测试云平台是气体集中采集检测系统的一个重要组成部分，在云平台上实现数据可视化和远程监控功能。在系统气体检测部分测试符合设计要求的基础上，再进行云平台部分的测试，来说明整个系统的可行性。图4-4串口调试助手提示信息单片机上电或复位，通信模块自动与云平台连接，可在电脑上通过串口查看连接情况，串口向电脑端串口调试助手实时发送的提示信息如图4-4所示。单片机发出“滴”图4-4串口调试助手提示信息图4-5OneNET云平台首页在电脑打开OneNET官网，进入图4-5所示的首页。登录后即可创建产品和设备，在设备里绑定数据流，数据流绑定成功的界面如图4-6所示。其中ConcentrationofCO2是二氧化碳的浓度，ConcentrationofCO是一氧化碳的浓度，Concentrationofalcohol是图4-5OneNET云平台首页数据成功上传至云平台后在“应用管理”界面编辑应用，添加三个仪表盘实时显示气体浓度数据，添加一个折线图显示CO2气体的变化情况，添加一个柱状图显示酒精气体的变化情况。系统检测CO2、CO和酒精气体的数据显示界面如图图4-6数据流绑定4-7图4-6数据流绑定4.3本章小结本章首先对气体集中采集检测系统的气体检测部分进行了测试，并不同环境情况下分析气体检测部分的数据是否符合预期。然后进行了系统通信模块与云平台的连接和数据传输，并对云平台的数据流进行了绑定，气体浓度显示界面进行了编辑，完成了数据的采集。

第5章总结与展望5.1结论本文针对传统火灾监测预警装置和现场手持仪器测量气体方法的不足和权限，结合了485通信技术、无线传感网技术、WiFi技术，借助物联网云平台，设计出一款基于物联网技术的气体集中采集监测系统。通过ATK-SEP8266模块将MCU实时采集到的数据透传至OneNET云平台，OneNET云平台将数据进行处理，存储，实现了Web端实时查看数据。所做工作和所得结论如下：1.完成了系统的总体设计。达到了物联网的感知层、网络层、应用层三合一，最终设计出软硬一体的气体集中采集系统，实现了气体集中采集系统的物联网功能。2.完成了系统的硬件电路设计。完成了RS-485二氧化碳变送器，MQ传感器的数据采集电路和供电电路的设计，以及LED灯和蜂鸣器报警电路，LCD屏幕和串口显示电路的设计。实现了STM32F103ZET6采集、储存、处理数据，并且通过ATK-ESP8266发送出去的一系列功能。3.完成了系统的软件设计和云平台的搭建。在MDK5开发环境中编写了各外设的驱动程序，实现MCU对硬件的的控制。编写了正点原子STM32F103ZET6精英开发板收集传感器数据，ATK-ESP8266连接云平台服务器，MQTT协议上传至云平台的主程序。完成了OneNET云平台账号的注册，产品和设备的创建，设备属性的修改，物模型的查看，数据流的添加，显示界面的编辑，实现了物联网的网络层和应用层。4.测试了系统的整体性能。对系统的灵敏度和监测范围，以及不同环境对系统的影响进行了测试。实现了OneNET云平台的登录，数据流的绑定，以及数据的实时查看。本文研究设计的基于物联网的气体集中采集系统结构简单、成本低廉、使用方便等优点，具有实际意义。5.2对未来的展望设计出来的气体集中采集系统在一些方面还存在着一定的不足之处。未来希望能采用更多更精确的气体传感器，实现如甲醛，氢气，氨气，二氧化氮灯气体的监测，将改进后的系统应用到工业生产监测中去。在云平台处理数据方面，未来可以搭建自己的服务器，而不是用公用服务器，从而提升系统的安全级别。同时，还可添加如指纹识别、人脸识别、视频监控等更加复杂的功能，加入AI和算法，使系统更加智能。

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