空气质量远程监测系统设计--毕业设计(汇编(完整版)资料.doc
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1、空气质量远程监测系统设计-毕业设计(汇编(完整版)资料(可以直接使用,可编辑 优秀版资料,欢迎下载) 毕业设计(论文) 题 目:空气质量远程监测系统 系 别:电气工程系 专 业:自动化 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导老师: 年5月 空气质量远程监测系统设计 摘 要随着我国经济的快速发展,有效促进我国电子科学等技术的高速发展,因此也带动了相关监测技术的不断升级换代,随着人们对环境的关注度越来越大,因此当前监测技术相对落后无法满足人们日益增长的物质文化需求,因此需要加快空气质量远程监测系统的设计,从而能够实时环境数据。本文以环境中温度湿度、NO2、SO2 、PM2.5等气体浓度粉采集,GPR
2、S 无线传输,实时显示并存储为主要研究内容。首先详细分析了课题的研究背景及意义,详细分了国内外研究现状,针对空气质量监测系统进行了整体方案的设计,详细分析了监测系统的工作原理及无线传输方案选择及传输原理,其次对控制质量远程监测系统的硬件及软件方案进行了设计,包含:传感器的选择、时钟系统设计、扩展外部存储器、GPRS无线传输模块以及电源模块等,软件进行了系统初始化及数据采集和处理的流程设计。通过本文进行的空气质量远程监测系统设计,能够良好的解决空气质量监测系统开发周期长,难度大等问题,便于居民实时获取环境各项参数数据。关键词:空气质量检测;单片机;GPRS无线传输;远程系统Air quality
3、 remote monitoring system ABSTRACTWith the rapid development of economy in our country, effectively promote the rapid development of electronic science and technology in China, which led to the monitoring technology of continuously upgrading, as peoples increasing attention to the environment, the c
4、urrent monitoring technology is relatively backward, therefore, cannot meet peoples growing material and cultural needs, so the need to speed up the air quality of the remote monitoring system design, which can real-time environmental data.This paper collects the gas concentration powder such as tem
5、perature humidity, NO2, SO2 and PM 2.5 in the environment, the GPRS wireless transmission, real-time display and storage is the main research content. First analyzed the research background and significance, points in detail the research status at home and abroad, for air quality monitoring system f
6、or the overall scheme design, analyzes the working principle of monitoring system and wireless transmission scheme selection and transmission principle of second to control the quality of the remote monitoring system hardware and software solutions for the design, include: the selection of sensors,
7、the clock system design, expand the external storage, GPRS wireless transmission module and power module, the software system initialization and process design of data acquisition and processing.Key words:Air quality testing; Single chip microcomputer; GPRS wireless transmission; The remote system目
8、录摘 要1ABSTRACT21. 绪论41.1 论文的研究背景及意义41.2 国内外现状以及发展趋势4 442.空气质量监测系统的总体设计62.1 监测系统的工作原理和组成62.2 GPRS网络的基本工作原理与组网6773.空气质量检测终端硬件设计93.1 硬件的总体设计93.2 传感器的选用以及其调理电路9910113.3 时钟系统设计123.4 扩展外部存储器123.5 GPRS模块的设计133.6 电源模块设计154.软件的总体分析174.1 数据采集与处理程序设计174.2 硬件系统的初始化184.3 数据采集采集与处理195.总结22参考文献23致 谢26附录一 检测主程序程序261
9、. 绪论1.1 论文的研究背景及意义近些年来,我国环境持续恶化,各地均不断陷入雾霾严重污染的环境,由于雾或霾对人体具有较大的危害,因此当上述危害天气出现后,对我国的各个交通体系具有严重影响,导致公路、铁路、供电系统及其他交通运输领域出现造成重要影响,此外还会恶化整个生态环境。因此为了能够良好保护自然资源,因此长期以来国家非常重视企业的节能减排等工作,相继出台多种保护措施,保护环境。我国在环境监测等领域仪器水平还不搞,因此当前针对环境的监测大多采用的人工采集及计算机分析的方式,为了能够有效提高环境监测效率,因此国家大力支持相关行业科技水平,不断提高监测系统的智能化、无线化、网络化等发展方向。因此
10、为了提高空气质量远程监测系统,因此本文采用基于GPRS技术的环境温湿度、二氧化碳、二氧化硫等参数的实时监测系统,并通过GPRS网络接入的方式,从而有效的实现与远程计算机通信系统,从而完成各项数据的传输,达到试试监测环境变化的目的。1.2 国内外现状以及发展趋势当前国外发达国家率先开展了环境监测等系统的研发工作,如今已经取得了非常显著的研究成果,其中很多技术应用到实际当中,而且大批具有科研成果和技术专利,为环境监测提供有力的技术支持,如美国从上世纪70年代就已经开展空气质量远程监测系统额眼睛工作,经过几十年的发展,已经建立了较为完善的质量监测体系,涉及的国家各个地区十分全面,而且还采用了一套完备
11、的质量保证和质量控制(QA/QC)体系,保障各项采集数据的有效性、完成采集和传输等工作,从而使得监测数据具有良好的可靠性和准确性。尽管国外起步很早,也建立了相对较为完善的空气远程监测体系,但是可以看到,国外的很多监测体系仍然存在很多的问题,如许多监测站点设置的不合理,而且西方很多国家建立的体系没有实现数据共享,因此无法有效的实现质量数据共享机制,此外还有各个国家质检的联网联调的不足,随着科学技术的快速发展,特别是无线通信技术的快速提升,当前已经能够很好的处理监测环境数据、空气质量预测分析、动态化显示等功能,但仍然存在很大的发展空间。我国近些年随着对空气质量的重视,因此不断加快空气质量远程环境监
12、测体系,尽管我国起步较晚,技术相对较为落后,而且是以城市为基础建立起来的监测体系,因此当前我国重点的监测数据有空气的温湿度变化、二氧化硫、二氧化碳、PM2.5。从2000年开始,为了加大空气质量的监测和整治力度,国家加大对相关领域科技研发的力度,截止到2006年底,我国各大城市相继建立了有效且完整的空气质量远程监测体系,且已经能够很好的实现各个省区与重点城市之间的站点联网数据共享等功能,尽管我国已经建立了很多的空气监测站,由于技术相对较为落后以及意识薄弱等环节,因此需要进一步提升科技水平和人员素质。 2.空气质量监测系统的总体设计2.1 监测系统的工作原理和组成本文设计的监测系统主要包含如下几
13、个模块:温湿度传感器模块、气体传感器模块、空气颗粒物传感器模块等,其中使用的硬件设备有单片机其型号为MSP430F149、无线输出传输和接收的GPRS模块、和以及控制硬件设备的软件 labVIEW软件模块的那个组成单元构成,首先单片机需要采集传感器发出的一系列电压信号,然后将其进行相关的数模转换,从而得到有关空气气量浓度值。然后将相对应的数据打包成为要求的二进制数码,一般用ASCII然后将对应的数据通过GPRS模块完成数据的传输,经过无线传输模块后相关数据传输至上位机监测中心,经过计算机的处理和分析、运算和显示,从而实现空气质量远程监测功能,由于采用的软件通过软件的编程语言实现,提供LabVI
14、EW因此需要提软件的运行环境,从而得到有关污染气体的浓度值,当超出要求数值情况下,需要发出相关的报警信号。本文采用的无线远程监测系统的网络结构图如3.1所示:图2.1 系统的结构原理图根据图2.1所示的结构原理图可以清晰看到系统的流程图如下:首先在检测现场出安装相关的监测终端设备,通过设立的各个传感器获取各项采集数据,然后将获取的数据经过简单的运算处理,经过GPRS无线传输模块上传至上位机的监测中心处。其中监测终端主要实现两部分功能:1、数据的采集工作,可有效的采集现场的各个数据信息,2、设置无线通信GPRS模块。本文设计的无线传输模块采用为GPRS网络,从而实现各个数据的传输。2.2 GPR
15、S网络的基本工作原理与组网2.2.1 GPRS工作的基本原理GPRS是当前发展十分成熟的网络通信模式,该通信方式在GSM基础上增加了部分硬件设备此外还针对传输过程中使用的软件进行了必要的升级,当前可以构成一个新的网络结构实体,从而能够更好的提供端到端以及其他的无线IP传输功能。采用GPRS网络方式不仅具有良好的GSM实现的所有功能,而且还增加了很多能够进行分组数据单元提供无线数据业务。由于使用GPRS网络业务的每个用户相互之间均相互独立,主要原因在于采用的GPRS无线网络采取的网络结构不同,采用IP的网络结构方式,能够为每一个用户分配独立的IP地址,从而实现了移动用户到网络端到端的各项数据业务
16、应用,当前使用的GPRS系统网络结构如图2.2所示。图2.2 GPRS 系统的网络结构1)PCU:表示的为分组数据处理与控制单元,通过上述模块能够很好的在BSC与SGSN之间建立良好的基于帧中继的Gb接口,主要完成的功能是数据业务和分离电路功能,由于可以将PCU插入到BSC单元模块中,因此该模块可以独立工作。2)SGSN:表示的为GPRS服务的支持结点,能够清晰的记录移动台的当前位置发生变化的各项数据,此外还能够完成在移动台与GGSN之间移动分组数据的接收和发送等功能,该模块与MSC处于同等水平,此外还能够良好的跟踪MS的存储单元,从而更好的实现接入控制和安全管理等功能,并通过帧中继将相关数据
17、传输到基站接收模块中。3)GGSN:表示的为GPRS网关的支持结点,该模块时连接GSM网络与外部交换系统的网关,主要实现的功能能够良好的支持与外部分组交换数据的互通和传输,此外还可完成基于IP的GPRS骨干网和SGSN连通功能。2.2.2 GPRS组网方案的选择本文采用GPRS无线终端要能够满足TCP/IP相关的协议标准,因此使得该方法与其他的传输模块存在一定的区别,在监测中心处,往往要求设置一台能够连接网络的PC机,从而更好的实现PC机与GPRS模块进行数据通信等功能,此外还要结合不同的需求,从而制定恰当的组网方案,如图2.3所示是当前应用较为广泛的GPRS通信组网模式。图2.3 GPRS通
18、信组网模式3.空气质量检测终端硬件设计设置检测终端主要完成的目标是采集空气质量等相关数据,采集完毕后经过一定的处理后通过无线GPRS模块上传至监测中心,每隔一定时间监测中心都进行数据的更新。该系统主要包含五个模块:传感器的选用、时钟模块、扩展外部存储器、GPRS模块、电源供电模块。3.1 硬件的总体设计图3.1 检测终端的原理图如图3.1所示为检测终端的原理图,采用的单片机MSP430F149的两个USART串口一个与无线传输模块连接在一起,另外一个作为系统的扩展串口,其中根据设计要求,还设定了PM2.5 、传感器,温湿度传感器以及气体浓度采集传感器;为了保障数据存储,因此可以扩展外存储,保障
19、时钟系统具有良好的实时性。3.2 传感器的选用以及其调理电路本文设计的采集系统很多传感器均设置在外部,能够有效的采集现场空气质量,主要包含温湿度传感器,气压传感器,气体传感器(NO2,CO2,SO2)。为了能够节约单片机的外部接口,因此选择的各个传感器满足系统实时性的要求,因此采用二线接口数字式传感器,由于输出的为数字量,因此无需经过模拟量的数字化,从而简化系统运行复杂性。3.2.1 温湿度传统的温湿度测量比较麻烦,工作量巨大,往往将相关电路设置在调理电路上,经过复杂运算过程,因此使得输出的数据精度较低,此外传统的电路也无法保证各个器件的稳定性、安全性、可靠性、非线性等获得均衡,因此给系统的开
20、发和设计带来很多不便。因此本文采用型号SHT11的新式的数字式传感器,有瑞士Sensit-ion公司生产,该产品最大的特点在于采用传感器技术与CMOSens技术有机结合在一起。图3.2 SHT11外形及其管脚示意图本系统设计的气体传感器采用的为TGS-2系列电阻式传感器以及MEMBRAPCR公司的SO2气体传感器组成本系统的气体传感器检测,其中采用SO2/MA20用来检测空气中SO2以及其他气体的浓度的变化,具有价格低、使用年限长等优点,其中采用的传感器当处理不同浓度气体是易引发敏感电阻值的变化,此时信号调理部分能够直接完成后续数据的处理,因此往往选择简单且具有较小的噪声的电路,根据传感器电阻
21、的变化能够真实的反映出输出信号的变化,此外设置的信号调理电路在一定范围要求内能够准确的获取阻值的变化。当前调理方法使用较多的有分压法、比较法,由于分压电路简单,动态调节范围广,因此获得了广泛应用。如图3.3为传感器基本测量电路,其所用的信号为分压电路。输入部分共包含两个输入电压,其中VH加热电压用于敏感因子处于对象气体相适应的特定温度而施加在集成的加热器上;VC用于测定传感器串联负载RL的两端电压;传感器电阻Rs与负载电阻RL串联;RH为加热器电阻,通过采样输出采样电压Vout。根据计算得到的传感器电阻值Rs,可以计算得出有关检测气体的浓度数值。图3.3 传感器基本测量电路 (3.1)根据式3
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