《基于GSM的空气质量监测系统设计》7000字

基于GSM的空气质量监测系统设计摘要现今因为人们环保意识渐渐增强，希望更多的场合都可以提供实时的空气质量监测数据，本文设计开发一种以单片机为主导的环境监测设备，通过温湿度传感器、可燃气体传感器、粉尘传感器采集环境参数信息，将数据信息采集、整理、保存并发布。对所设计的系统进行了测试，结果表明该系统较为稳定、制作成本不高、方便使用与建立，具有很强的实用价值和推广价值。关键词：单片机；GSM；空气质量监测目录目录TOC\o"1-3"\h\u22989一、绪论 1246401.1课题来源 1150151.2课题的目的和意义 1304961.3国内外研究状况 224537二、系统结构原理与设计 319692.1系统总体结构 3299042.2系统主要功能 38046三、远程检测站点设计 4107093.1硬件组成设计 428923.1.1STC89C52单片机 418064（1）时钟电路 54280（2）复位电路模块 5116743.1.2温湿度传感器模块 6223583.1.3PM2.5粉尘传感器模块 6168103.1.4烟雾传感器模块 7209973.1.5液晶显示模块 8248653.1.6GSM通信模块 9104183.2软件流程设计 104866四、监测中心的系统设计 1317063五、系统实际应用效果 1529013参考文献 162731结语 17一、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。越来越多的地方（如社区、学校）希望提供实时的空气质量监测信息。这样便于对当地空气质量进行监测，为附近居民提供准确有效的空气质量指标信息。同时，由于环境污染日益加剧，如工业排污、汽车尾气、焚烧秸秆，粉尘颗粒等成为危害人们健康的潜在因素。因此，研发一种便携式、智能化、低成本和多参数实时检测的环境监测系统具有十分重要的现实意义。经市场调研发现，许多企业生产的环境检测仪功能比较单一，不能对多种参数进行实时监测，无法满足实时监测及有效调控的要求。随着科技的不断发展，环境自动监控向着多参数采集及无线传输方面发展已为一种必然趋势，GSM通信技术被广泛应用于远程实时监控中，它能够大大提高监控的有效性和可靠性。本文所设计构建的基于单片机和GSM通信的环境监测系统，利用了单片机技术、传感器控制技术及无线通信技术。测试结果表明，该系统具有数据精度高、设备工作稳定性好、机器操作简单等特点，可广泛应用于家庭、办公、商场、医院、学校等领域。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：提高了劳动生产率；提高了产品的质量；减轻了劳动强度；改善了劳动条件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。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。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。系统结构原理与设计2.1系统总体结构远程监测站点和检测中心两个部分大致构成总系统主体，其中远程检测站点包括的部分有：控制芯片STC89C52GSM、通信模块SIM0900A和各类指标传感器模块：多源供电模块、显示模块；监测中心系统主要由上位机PC和microsoftvisualc++6.0集成开发环境构成。系统的总体设计框图如图1所示。该系统主要由两部分组成，分别是远程监控站和检测中心。远程检测站包括GSM通信模块SIM0900a、单片机控制芯片STC89C52、各种指标传感器模块、显示模块和多源电源模块；监控中心系统主要由PC机和相应的监控分析软件组成。系统总体设计框图如图1所示。图1系统总体设计框图2.2系统主要功能系统远程监测站可实时检测目标环境中的重要空气指标（如温度、湿度、PM2.5），并通过显示模块实时显示。远程监测站每隔一段时间就会将最近监测的数据到的数据通过GSM模块发送到监测中心。同时，为了达到达到绿色、节能、低功耗的目的，我们采用了可以为指标采集系统提供多种供电方式的多源电源模块（例如充电电池、民用交流电、可选太阳能充电装置等）。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报警。远程检测站点设计远程检测站主要采用STC89C52单片机作为控制器，实时读取各监控模块获取的空气指标值，并通过GSM模块以一定的帧格式将数据发送到检测中心进行处理。3.1硬件组成设计3.1.1STC89C52单片机STC89C52单片机是一款高性能、低功耗的CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器，512字节的RAM，I/O口线共有32条，一个看门狗定时器WDT，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，6个中断源，2级中断优先权，一个全双工串行口。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组成，其含义是用最少的元器件和单片机可以构成的工作的系统。单片机所需要的时钟基准由时钟电路所提供。其中输入引脚XTAL1和输出引脚XTAL2与晶体振荡器和两个电容器连接，形成稳定的自激振荡器。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。C3C3 C4Cap Cap100pF 100pFGNDVCC40P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732A/VPP31ALE/PROGPSEN29P2.728P2.627P2.526P2.425P2.324P2.223P2.122P2.021P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP3.0(RXD)P3.1(TXD)P3.2(INT0)P3.3(INT1)P3.4(T0)P3.5(T1)P3.6(WR)P3.7(RD)XTAL2XTAL1GND89c511234567891011121314151617181920Y11 2XTALCapPol1100pFR4Res11KGNDC2VCC1图2STC89C52单片机（1）时钟电路可以发出像时钟一样精确运动的振荡电路就是时钟电路。任何一件工作的进行都要按照时间先后次序进行。使设备工作产生时间先后顺序的电路为时钟电路。一般由晶体振荡器、晶体控制芯片和电容器等部分构成时钟电路的总体。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，XTAL2引脚为输出。（2）复位电路模块复位控制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。复位控制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,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10。图10上电自动复位电路3.1.2温湿度传感器模块温湿度检测采用DHT11传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，可测温度范围是0～50℃，精度是±2℃；可测湿度范围是20%～90%RH，精度是±5%RH。该测温传感器由一个小型电阻式感湿控制元件和一个数为NTC的桥式测温控制元件并联组成，测量的都是数字量，不需要经过模数转换器就可以和单片机直接连接。该款产品体积小、稳定性高、功率消耗低、连接简单。温湿度采集电路如图3所示。3.1.3PM2.5粉尘传感器模块设计选用PM2.5粉尘传感器的型号为GP2Y1010AU0F，可检测出空气中直径在0.8μm以上的微小颗粒物，灵敏度为0.5V/（0.1mg/m3），输入电压范围是-0.3~7V。即使非常细小的如烟草产生的烟气和花粉、房屋粉尘等也能够被感知。传感器的输出PM需要经过A/D模数转换器才可以和单片机相连。粉尘传感器电路如图4所示。GNDGNDDHT11P2.0R1Res11KP1VCC1234图3温湿度采集电路图4粉尘传感器电路3.1.4烟雾传感器模块烟雾传感器采用MQ-2型烟雾传感器。MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料和表面离子型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。二氧化锡作为传感器所使用的气敏材料，是因为其在较为干净空气中电导率不高，当有可燃气体存在于传感器的周围时，随着空气中可燃气体浓度的改变传感器的电导率也随之相应改变，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A/D模数转换送到单片机，MQ-2传感器电路如图5所示。图5MQ-2传感器电路3.1.5液晶显示模块液晶显示模块采用LCD1602液晶显示器 。LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。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如波形图6所示,1引脚中的GND需要接地,2引脚指的是要连接+5v直流电源,3引脚偏压指的也就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引脚分别指的是是在连接时看到整个单片机的一个P2\7、P2\6和一个P2\5口;7-14引脚分别指的是是连接到整个单片机的一个P0\0-P0\7口。图6液晶显示电路3.1.6GSM通信模块GSM通信模块型号为SIM900A，该模块是GSM/GPRS的双频模块，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7所示，1引脚经二极管降压后接电源，3和4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，8引脚接地。图7GSM通信模块电路3.1.9多源供电模块 多源电源模块是一种利用电池板与太阳能电池板相结合的方式,通过多模电源来实现长一段时间不连续的工作,可有效地应对因单电源供电量不足而导致造成的停电,并且还可以直接采用太阳能进行充电,具有良好的节能环保效果。按照电源模块划分为充放电电池、稳压电源模块。充电式锂离子动力电池主要是为整个系统提供5v的正常工作电压;然后lm2576将5v转换成3.3v的低压,从而为MSP430F149进行供电。蓄电池采用锂离子电池,锂离子电池的优点表现在容量大、工作时供电压较高。容量相当于同等镍镉电池的两倍,它更加适合进行长时间的通信,普通单体锂电池的最大输出电压为3.7v,是普通镍镉和镍氢电池的3倍,具有较强的电荷维护能力和较宽的允许工作温度。英寸(20)±5)蓄电池开路存放30天后,室温时放电的容量应超过额定蓄电池容量的85%。由于锂离子动力电池本身具有优异的耐热和低温放电特点,所以可在-20℃下连续使用,高温时放电特点比普通动力电池要好得多。锂离子电池。循环使用寿命长,锂离子电池一般都采用碳阳极,在进行充放电时,碳阳极并没有直接产生枝晶锂,这样就可以防止由于枝晶锂的内部短路对电池造成严重的损害。长期经济,安全性较好,无环境污染。太阳能电池板采用晶硅太阳能电池板。晶体硅太阳能电池板的成本很低。虽然太阳能电池板在能源消耗和生产中成本都是非常高的,但是它们进行光电交互转换的效率也是非常高的。与传统的薄膜太阳能电池板相比,更适合户外太阳能发电。而且,如果我们现在使用的芯片是一种单晶硅塑料芯片,通常都可以采用双层钢化玻璃和双层防水环氧树脂薄膜进行塑料包装,因此这种材料的耐用寿命性能大约为25年。3.2软件流程设计远程检测站点软件采用嵌入式C语言在MDK集成开发环境下编写。远程检测现场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、时钟电路模块、复位电路模块等。远程监测点功能模块框图如图11。图11远程监测点功能模块框图系统在完成上电之后，需要将时钟模块和相应的硬件模块进行初始化。由于该传感器是一种有源输出的类型，其周期性数据输出导致STM32串行端口中断。在服务功能中,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。33字节的消息自定义符号数据帧消息符号编码分别为:每个消息数据头(2个单位字节)0x55、0xaa、采集的每个终端数据地址(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)、特征和(10个单位字节)、校验和(1个单位字节)、消息尾(1个单位字节)。室外电视监控分站点的系统软件操作流程图结构如下图列表所示。图12户外监测点软件流程监测中心的系统设计监控中心的上位机软件是采用microsoftvisualc++6.0集成开发环境。每一个模块的代码都是使用C++语言进行编写。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。上位机监控软件共功能划分如下为七个系统模块:软件初始化模块、UDP监控启动模块、UDP接收解包模块、空气温湿度实时显示模块、CO₂/O₂浓度实时显示模块、PM2.5浓度实时显示模块、历史查询模块等。上位机功能模块框图如图13。图13上位机功能模块框图本文的软件设计方案是使用UDP协议。从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,如果开箱检测验证不正确,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。测试结果证实,该系统具有可靠、准确地实现主要零部件空气信息采集、遥感数据传输、监视中心显示、储存、查询、大数据分析等功能。系统实际应用效果远程监控站的数据采集系统是使用50000mah