基于機(jī)智云的環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第1章緒論1.1選題背景從科學(xué)技術(shù)被發(fā)明創(chuàng)造出來(lái)開始，就一直促進(jìn)者人類社會(huì)的進(jìn)步，在今天這個(gè)科學(xué)大變革的時(shí)代，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步給人類社會(huì)帶來(lái)了巨大的福利，推動(dòng)了人類社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，更為人類文明的奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。各種科技成果層出不窮，被廣泛的應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域在當(dāng)今社會(huì)中衡量技術(shù)科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的主流。通過(guò)手工方法對(duì)參數(shù)信息系統(tǒng)的早期檢測(cè)通常是基于視覺(jué)監(jiān)測(cè)。工作人員的操作情況不僅增加了工作量，而且確保了檢測(cè)的真實(shí)性和有效性，并且在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是不合需要的。在現(xiàn)代生產(chǎn)和管理過(guò)程中，許多物理，環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)處理等都需要實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于所需測(cè)試數(shù)據(jù)的要求在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中是實(shí)時(shí)可靠的，我們需要更強(qiáng)大的持續(xù)創(chuàng)新，持續(xù)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷應(yīng)用。如今，隨著信息技術(shù)和自動(dòng)化的快速發(fā)展，無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)在各行各業(yè)，尤其是工業(yè)和環(huán)境測(cè)試中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)限形式的有線傳輸影響著工作效率，應(yīng)用范圍和材料浪費(fèi)。當(dāng)今社會(huì)中許多大型大學(xué)，研究機(jī)構(gòu)和其他研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的許多儀器和測(cè)量工具都是獨(dú)立運(yùn)作的。為了集中管理和運(yùn)營(yíng)，有必要組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試中心。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都是一個(gè)很時(shí)髦的話題，不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)際上的研究機(jī)構(gòu)對(duì)此都有相關(guān)的研究成果。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在未來(lái)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。環(huán)境智能檢測(cè)系統(tǒng)可檢測(cè)溫度和濕度以及濃度。實(shí)時(shí)吸煙，防止因溫度過(guò)高引發(fā)的事故?？蓪?shí)現(xiàn)監(jiān)控溫度，定時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，高溫報(bào)警和數(shù)據(jù)傳輸?？蓱?yīng)用于糧倉(cāng)，溫室等一系列溫度測(cè)量環(huán)境。1.2課題意義眾所周知，環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)。近年來(lái)，他們一直在以良好的高速發(fā)展進(jìn)步。許多新設(shè)備已經(jīng)開始出現(xiàn)在市場(chǎng)上以滿足人們的需求。但是，從整體情況來(lái)看，仍然沒(méi)有進(jìn)行分析。最好的兩個(gè)地方是缺乏標(biāo)準(zhǔn)和缺乏權(quán)威產(chǎn)品。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民財(cái)富的增加，對(duì)自身生活環(huán)境的需求水平也有所提高。環(huán)境監(jiān)測(cè)越來(lái)越受歡迎。智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)成為未來(lái)市場(chǎng)上的一大主流，也會(huì)成為國(guó)內(nèi)甚至國(guó)際上研究的主流方向，在未來(lái)智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以為人們提供更加智能化、更加人性化的生活模式和生活場(chǎng)景，使居住者的生活更方便，更高效，更適合家庭的日常活動(dòng)。對(duì)于快節(jié)奏的生活，人們的壓力減少了，同時(shí)又極大的方便。而且，在當(dāng)前的健康和環(huán)境保護(hù)的世界里，智能地為居民提供空氣的溫度和濕度來(lái)檢查空氣，使居民能夠安心，能夠滿足人們的個(gè)性化需求。同時(shí)，智能監(jiān)控人員可以根據(jù)居民的需求，應(yīng)急處理，危機(jī)救援等急救控制來(lái)調(diào)整方案。完全滿足用戶的需求。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況科學(xué)技術(shù)深刻地影響著我們的生活，以往環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅僅只是具有單個(gè)監(jiān)測(cè)功能模塊系統(tǒng)只能一對(duì)一進(jìn)行布線操縱和集中監(jiān)測(cè)操作，然后連接到中央控制室內(nèi)，監(jiān)測(cè)設(shè)備之間相互獨(dú)立，由于信號(hào)傳輸技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，它可以通過(guò)信號(hào)線傳輸多個(gè)信號(hào)，這將有助于在中央控制室顯示所有測(cè)試結(jié)果。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)的情況下，先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)控制器和PC取代了主機(jī)的中央控制。根據(jù)操作員的指示，可以自動(dòng)檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)。檢測(cè)系統(tǒng)的功能是從以前的集中模型演變成網(wǎng)絡(luò)模型。一般的工業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這種有線網(wǎng)絡(luò)有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)就是有線傳輸網(wǎng)絡(luò)高速穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)漏傳的情況，比較符合工業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。但是缺點(diǎn)也很明顯，就是要根據(jù)導(dǎo)電介質(zhì)的線路來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)南嚓P(guān)任務(wù)會(huì)增加此外，施工過(guò)程中建筑物不可避免地會(huì)受到損壞，造成大量的人力，財(cái)力和物力損失和浪費(fèi)。目前，檢測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件技術(shù)已逐漸成熟，主要涉及到開發(fā)半導(dǎo)體技術(shù)，傳感器技術(shù)，嵌入式技術(shù)，通信技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和各領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，感知和收集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域，監(jiān)控各種數(shù)據(jù)對(duì)象和處理數(shù)據(jù)，以及完整的數(shù)據(jù)收集和測(cè)試。從上世紀(jì)90年代末開始，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳統(tǒng)的有線時(shí)代已經(jīng)過(guò)去，新的無(wú)線時(shí)代已經(jīng)到來(lái)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從有線時(shí)代進(jìn)入無(wú)線時(shí)代。新一代傳感器無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是由可控?cái)?shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)組成一個(gè)龐大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)之間的通信為多跳通信?？梢酝ㄟ^(guò)多跳通信進(jìn)行發(fā)送和接收傳感器網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能為采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)然數(shù)據(jù)要在可監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巨大價(jià)值，它引起了工業(yè)，軍事和學(xué)術(shù)界的高度重視。世界上許多國(guó)家，比如，中國(guó)目前研究的熱點(diǎn)主要集中對(duì)于周圍環(huán)境的感知、智能家庭等方面。檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展始終與最新技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。由于用戶對(duì)檢測(cè)技術(shù)在更簡(jiǎn)便和更具實(shí)時(shí)性方面不斷提出更高的要求。所以它必定會(huì)不斷地被發(fā)展，才能滿足人們的需求?，F(xiàn)在，傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)的研究還處在相當(dāng)初級(jí)的階段。但是傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一門新興技術(shù)，各國(guó)的研究水平相差不多。只要我們不斷地對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行發(fā)展和完善，相信在不久的將來(lái)，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將被廣泛的用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。第2章環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體描述環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是以 STM32F103RCT6嵌入式主控制芯片，外接溫度傳感器、濕度傳感器以及煙霧報(bào)警傳感器等模塊對(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，并在OLED屏幕上顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)，然后將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32主控板中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的值時(shí)，STM32主控板中的蜂鳴器報(bào)警模塊會(huì)發(fā)出報(bào)警聲。溫度傳感器可以對(duì)室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，煙霧濃度傳感器可以室內(nèi)的煙霧濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，兩大系統(tǒng)的主要模塊在STM32上電后同時(shí)進(jìn)行工作，并把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32F103RCT6嵌入式主控板中；STM32F103RCT6嵌入式主控板負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及分析，然后通過(guò)無(wú)線WIFI模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞謾C(jī)終端進(jìn)行顯示，當(dāng)溫濕度值或者煙霧濃度值達(dá)到設(shè)定的警戒值時(shí)STM32F103RCT6上的報(bào)警模塊中的蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，提示用戶環(huán)境超出閾值。WIFI無(wú)線串口收發(fā)器實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端控制器與STM32主控芯片的互聯(lián)互通，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI無(wú)線傳輸模塊提供給手機(jī)終端控制器，并且能將修改后的閾值數(shù)據(jù)回傳給STM32F103嵌入式主控芯片；手機(jī)終端控制器負(fù)責(zé)將一切來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。2.2環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖圖2.2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖2.3環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能A.溫濕度模塊溫濕度監(jiān)測(cè):通過(guò)溫度傳感器和濕度傳感器實(shí)時(shí)地采集室內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)。并提供數(shù)據(jù)給處理器進(jìn)行處理，再通過(guò)WIFI模塊傳給手機(jī)，通過(guò)手機(jī)可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫濕度。B.煙霧報(bào)警模塊煙霧報(bào)警功能：煙霧傳感器監(jiān)測(cè)空氣中的煙霧濃度，通過(guò)煙霧濃度值的大小來(lái)預(yù)判火災(zāi)的發(fā)生。如果煙霧濃度值過(guò)高，已經(jīng)超過(guò)事先設(shè)定好的閾值蜂鳴器將發(fā)出連續(xù)的警報(bào)聲，直到煙霧濃度值降為正常值。C.OLED顯示模塊OLED顯示：溫濕度傳感器，以及煙霧報(bào)警器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)STM32芯片處理后，會(huì)以字符的形式顯示在0.96寸的OLED屏幕上,并與手機(jī)終端上顯示的數(shù)據(jù)同步。顯示的順序?yàn)闈穸戎担╤um）、溫度值(temp)、煙霧濃度值(smoke)。D.無(wú)線遠(yuǎn)程控制模塊WIFI無(wú)線傳輸技術(shù):通過(guò)WIFI無(wú)線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)STM32主控制板與手機(jī)控制端的無(wú)線連接，手機(jī)控制端再把設(shè)定的閾值數(shù)據(jù)傳給手機(jī)，手機(jī)就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控家里的環(huán)境。2.4環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和目標(biāo)（1）簡(jiǎn)單易用和經(jīng)濟(jì)性能夠滿足一般情況下的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)，安裝方便操作簡(jiǎn)單，考慮自身呢個(gè)的經(jīng)濟(jì)承受能力，所需成本要低。經(jīng)濟(jì)實(shí)用性價(jià)比要高，滿足畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本需求（2）穩(wěn)定性和可靠性如果是作為一個(gè)產(chǎn)品，穩(wěn)定性和可靠性是環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原則，只有滿足這兩個(gè)條件，才能操作和推廣系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，不存在硬件故障問(wèn)題或者是軟件內(nèi)存泄漏的情況出現(xiàn)，因此必須保證系統(tǒng)運(yùn)行期間硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的配置是符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。（3）可擴(kuò)展性和實(shí)時(shí)性在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，您應(yīng)該考慮未來(lái)的優(yōu)化和系統(tǒng)升級(jí)，以及不同的環(huán)境。它可以輕松添加到其功能中以適應(yīng)不同的擴(kuò)展環(huán)境，并增加其容錯(cuò)性。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，有必要實(shí)時(shí)監(jiān)控內(nèi)部數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)向手機(jī)移動(dòng)終端控制設(shè)備發(fā)送信息，以監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)房間變化。第3章硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1STM32F103RCT6芯片介紹STM32F103RCT6上擁有的外設(shè)資源包括：48KBSRAM、256KBFLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器（共12個(gè)通道）、3個(gè)SPI接口、2個(gè)IIC接口、5個(gè)I/O串口、1個(gè)USB接口、1個(gè)CAN接口、3個(gè)12位ADC通道、1個(gè)12位DAC通道、1個(gè)SDIO接口及51個(gè)通用IO口。該芯片性價(jià)比極高，MCU部分的原理圖如下圖所示：圖3.1.1STM32F103RCT6部分原理圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)中的就是指該（STM32F103RCT6）芯片能夠正常工作，所需要的最少元器件組成的電路系統(tǒng)。其中必須有供電的電源電路、提供工作節(jié)拍的時(shí)鐘電路、遇到故障時(shí)恢復(fù)初始狀態(tài)的復(fù)位電路，燒寫電路，給芯片燒寫程序。單片機(jī)有順序地工作的時(shí)鐘信號(hào)由時(shí)鐘電路提供。無(wú)論是從取指令操作到譯碼操作再進(jìn)行接收到微命令執(zhí)行的操作都是按時(shí)間順序工作的。本次設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路是將30pF的電容C3接在單片機(jī)XTAL1和30pF的電容C2接在XTAL2端口上起到穩(wěn)頻的作用，在中間并聯(lián)上一個(gè)晶體振蕩器就可以在沒(méi)有提供外部的激勵(lì)信號(hào)時(shí)，自己產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的震蕩。本文中最小系統(tǒng)的電路選用的12MHz的晶振，外接兩個(gè)30pF的瓷片電容，可微調(diào)振蕩器的頻率。復(fù)位電路:只要給芯片供電，就有遇到問(wèn)題的可能。此時(shí)就需要讓它回復(fù)到初始設(shè)定的值。遇到故障時(shí)就是通過(guò)復(fù)位電路使單片機(jī)的值恢復(fù)到初始設(shè)定，接著繼續(xù)運(yùn)行。但單片機(jī)的復(fù)位并不是沒(méi)有條件的。比如說(shuō)，單片機(jī)電源剛剛接通的時(shí)候，板載上的電容所負(fù)荷的充電電流達(dá)到最大，此時(shí)，RST處于高電平狀態(tài)，也就所謂的單片機(jī)上電復(fù)位，這個(gè)時(shí)候單片機(jī)的復(fù)位形式主要是電阻給電容充電就可以形成上電復(fù)位。但隨著電容充滿電，電容結(jié)束充電，基本沒(méi)有電流，此時(shí)RST端的電位維持在低電平。此時(shí)只要RST端的電位維持在高電平的時(shí)間不小于二十四個(gè)振蕩周期就可以完成正常的復(fù)位。如果有按鍵，當(dāng)按下RESET時(shí)，單片機(jī)的工作狀態(tài)被中斷，RST引腳從低電平切換到高電平，電容被釋放形成電流，也就是說(shuō)已經(jīng)完成充電的電容將通過(guò)電阻的快速地放出電容儲(chǔ)存的電能，如果按鍵不釋放，高電平就會(huì)一直持續(xù)，這樣就能夠完成單片機(jī)的按鍵復(fù)位操作。3.2溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)DHT11溫濕度傳感器為此次畢設(shè)所需的模塊選型器材，DHT11中的電阻式感濕元件用來(lái)采集空氣中的濕度值，DHT11中的另一個(gè)NTC測(cè)溫元件用來(lái)采集空氣中的溫度值，兩者組合成了DHT11溫濕度傳感器中的數(shù)據(jù)采集模塊，采用串行接口的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)模塊化安裝，主要應(yīng)用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，較為突出的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)的時(shí)間短抗干擾的能力強(qiáng)。表3.2.1DHT11 溫濕度傳感器特性參數(shù)：型號(hào)測(cè)量范圍測(cè)濕精度測(cè)溫精度分辨力封裝DHT1120－90％RH0－50℃±5％RH±2℃14針單排直插 接口說(shuō)明：建議連接線長(zhǎng)度短于20米時(shí)用5K上拉電阻,但如果連接線的長(zhǎng)度大于20米時(shí)選擇上拉電阻，要更具實(shí)際的情況合理選擇電阻。表3.2.2引腳說(shuō)明：Pin名稱注釋1VDD供電3－5.5VDC2DATA串行數(shù)據(jù)，單總線3NC空腳，請(qǐng)懸空4GND接地，電源負(fù)極DHT11溫濕度傳感器的溫度范圍在零攝氏度到五十?dāng)z氏度，誤差為正負(fù)兩攝氏度；濕度范圍在百分之二十到百分之九十之間（單位為RH），誤差為正負(fù)五（單位為RH）；響應(yīng)時(shí)間：1/e（63％）6-30s;DHT11溫濕度傳感器的溫度分辨率為八（單位為bit）,濕度的分辨率為八；傳感器的采樣周期應(yīng)該大于等于一秒；模塊尺寸：30x20mm;DHT11電路圖原理圖如圖3-3所示。圖3.2.1DHT11電路原理示意圖DHT11溫濕度傳感器的通信方式為單線同步通信，傳感器與STM32F103RCT6主控板之間的通信時(shí)間較短，大約為4毫秒，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括傳感器實(shí)時(shí)采集到的溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)，溫濕度數(shù)據(jù)中即包含有整數(shù)部分也包含小數(shù)部分（當(dāng)前的小數(shù)部分僅僅用于擴(kuò)展，傳感器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)讀取為0），具體的格式可以為：溫度數(shù)據(jù)（整數(shù)部分+小數(shù)部分）+濕度數(shù)據(jù)（整數(shù)部分+小數(shù)部分）+校驗(yàn)和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為高位先出然后才是低位。當(dāng)DHT11傳感器傳輸數(shù)據(jù)正確時(shí)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為“溫度數(shù)據(jù)（整數(shù)部分+小數(shù)部分）+濕度數(shù)據(jù)（整數(shù)部分+小數(shù)部分）”所得結(jié)果為之和。當(dāng)前狀態(tài)下，DHT11傳感器等待主機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，如果主機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，在一段時(shí)間后，主機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)完成，DHT11收到啟動(dòng)信號(hào)的情況下，DHT11傳感器將會(huì)發(fā)送40bit數(shù)據(jù)位的實(shí)時(shí)響應(yīng)信號(hào)，此時(shí)DHT11將會(huì)從低功耗模式切換為高速模式，并觸發(fā)溫度傳感模塊和濕度傳感模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在采集完成后，如果此時(shí)沒(méi)有收到主機(jī)發(fā)送的啟動(dòng)信號(hào)，則DHT11將會(huì)重新切換到低速模式。通訊過(guò)程如圖圖3.2.2DHT11工作時(shí)序示意圖有如下的時(shí)序圖可知，總線空閑狀態(tài)為高電平，高電平為傳輸有效數(shù)據(jù)狀態(tài)，主機(jī)先被拉低時(shí)間為18ms,直到DHT11發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，在主機(jī)被拉低的時(shí)間內(nèi)，DHT11能夠判斷出主機(jī)的起始信號(hào)，并且能夠?qū)ζ渥龀鱿鄳?yīng)的響應(yīng)，主機(jī)在拉低18ms后開始進(jìn)入到輸入模式，也就是所謂的高電平模式主機(jī)繼續(xù)拉高延時(shí)20到40微秒。DHT11傳感器的響應(yīng)信號(hào)開始被主機(jī)讀取，在主機(jī)發(fā)送完開始信號(hào)后，DHT11傳感器會(huì)等待一段時(shí)間，直到主機(jī)的開始信號(hào)結(jié)束，然后再發(fā)送80微秒的響應(yīng)信號(hào)（低電平）再發(fā)送完信號(hào)之后，主機(jī)被再次拉高，延遲一段80微秒的時(shí)間，然后準(zhǔn)備開始發(fā)送傳感器采集的數(shù)據(jù)，傳感器采集到的數(shù)據(jù)都是按位發(fā)送，每一位的數(shù)據(jù)都是以50毫秒低電平為單位發(fā)送的，而數(shù)據(jù)的位的0和1是根據(jù)高電平的長(zhǎng)短來(lái)判定的，如果DHT11傳感器長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有響應(yīng)，則可以看出讀取的響應(yīng)信號(hào)為高電平，我們可以中斷采集操作進(jìn)行處理，檢查線路是否連接正常。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶詈笠晃粫r(shí)，DHT11傳感器的總線被拉低，延遲時(shí)間為50毫秒，然后又被拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。圖3-5所示是DHT11模塊響應(yīng)部分時(shí)序圖。圖3.2.3DHT11模塊響應(yīng)部分時(shí)序示意圖3.3煙霧傳感模塊方案設(shè)計(jì)：煙霧報(bào)警模塊可以設(shè)計(jì)成自動(dòng)監(jiān)測(cè)煙霧濃度，電路形式可以是由STM32單片機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、以及其他元件構(gòu)成；因?yàn)橐紤]到煙霧傳感器是把非電量轉(zhuǎn)換為電量傳感器輸出的是0-5伏電壓值且電壓值穩(wěn)定，外部干擾小等，可以利用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將煙霧傳感器采集到的數(shù)據(jù)值，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理值進(jìn)行處理因此要求系統(tǒng)配備完善的模擬量和數(shù)字量輸入輸出通道和完善的中斷系統(tǒng)和處理功能。STM32采集煙霧傳感器的響應(yīng)信號(hào)，并且進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具體步驟是信號(hào)采集處理、聲光報(bào)警電路以及顯示、保護(hù)電路測(cè)試。模數(shù)轉(zhuǎn)換就是用于快速、高精度的對(duì)輸入信號(hào)采樣編碼，然后轉(zhuǎn)化成數(shù)字量?jī)?chǔ)存在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中，然后單片機(jī)通過(guò)特定的算法進(jìn)行氣體濃度的識(shí)別，同時(shí)和所設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，超出則報(bào)警濃度時(shí)發(fā)出報(bào)警。方案的基本原理：煙霧報(bào)警模塊主要由煙霧傳感器、STM32F103RCT6主控板有相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊器件，報(bào)警模塊（主要有蜂鳴器構(gòu)成）器件，MQ_2煙霧傳感器采集到的煙霧濃度值經(jīng)過(guò)放大器放大信號(hào)之后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32主控板，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，煙霧濃度值的比較，線性化擬合數(shù)據(jù)處理后，再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十進(jìn)制濃度值再OLED屏幕上顯示。把煙霧濃度值及相應(yīng)狀態(tài)下的溫度、濕度狀態(tài)值傳輸給OLED模塊顯示，當(dāng)煙霧濃度值超出設(shè)定的限定值時(shí)，STM32中的報(bào)警模塊中的蜂鳴器將會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音。由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，所以在采集煙霧濃度數(shù)據(jù)值之前要先將煙霧傳感器進(jìn)行預(yù)熱操作，我們需要給煙霧傳感器提供一個(gè)5V的電壓，在持續(xù)輸出5V電壓的同時(shí)，煙霧傳感器器件本身的溫度會(huì)升高，這大大降低了煙霧傳感器的反應(yīng)時(shí)間，提高了傳感器的準(zhǔn)確性，從而保證了傳感器持續(xù)穩(wěn)定的工作在輸出5V的電壓的同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。當(dāng)傳感器加熱絲、或電纜線和傳感器斷線、或接觸不良時(shí)，進(jìn)行故障報(bào)警。煙霧報(bào)警模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖所示：圖3.3.1煙霧報(bào)警模塊結(jié)構(gòu)框圖 煙霧報(bào)警模塊原理圖如圖所示：圖3.3.2MQ-2煙霧傳感器原理圖詳細(xì)電路設(shè)計(jì)如下圖3.3.3所示圖3.3.3煙霧傳感電路設(shè)計(jì)圖主要用途檢測(cè)空氣中灰塵濃度，用于空氣凈化器、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀、PM2.5檢測(cè)儀等。表3.3.1 傳感器接口說(shuō)明3.4OLED顯示模塊設(shè)計(jì)三種顏色任你選：藍(lán)色、白色、藍(lán)黃雙色通訊模式：4線SPI電路連接GND：電源地VCC：2.2V~5.5VSCL：CLK時(shí)鐘（高電平2.2V~5.5V）

SDA：MOSI數(shù)據(jù)（高電平2.2V~5.5V）

RST：復(fù)位（高電平2.2V~5.5V）

D/C：數(shù)據(jù)/命令（高電平2.2V~5.5V）兼容3.3V和5V控制芯片的I/O電平（無(wú)需任何設(shè)置，直接兼容）板子管腳依次為G(地)，3.3V/5V（電源），SCL(CLK時(shí)鐘)，SDA（MISO數(shù)據(jù)），RES（復(fù)位），DC（數(shù)據(jù)/命令單片機(jī)采用3.3V/5V電壓的接線模式,下圖以XS128單片機(jī)接線圖為例：

STM32只要有4個(gè)IO口就可以驅(qū)動(dòng)移植程序非常簡(jiǎn)單：驅(qū)動(dòng)程序以標(biāo)準(zhǔn)的.C.H文件寫出，輕松移植注意事項(xiàng)：OLED顯示屏不同于LCD，OLED上電不反應(yīng)，需要由程序驅(qū)動(dòng)才能顯示！OLED使用的是SPI方式驅(qū)動(dòng)顯示屏，SPI方式的優(yōu)點(diǎn)是速度高，SPI通信的速度通常為幾MHz，調(diào)整SPI的速度，可以達(dá)到更好的顯示速度。圖4-7OLED原理圖3.5WIFI模塊設(shè)計(jì)WIFI(無(wú)線傳輸)技術(shù)簡(jiǎn)介WIFI是一種可以支持圖像數(shù)據(jù)，語(yǔ)音數(shù)據(jù)，多媒體等數(shù)據(jù)的短距離無(wú)線傳輸技術(shù)。在一定的范圍內(nèi)可以使接入互聯(lián)網(wǎng)的用戶持續(xù)地接收到無(wú)線電信號(hào)。WIFI也稱無(wú)線保真技術(shù)。WIFI(無(wú)線傳輸)主要技術(shù)特點(diǎn)覆蓋范圍廣一般情況下,WIFI的傳輸距離相比于其他傳輸方式，有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，WIFI的傳輸距離較遠(yuǎn)，其原因是WIFI的電波范圍廣，即使在半徑范圍微100m的距離以外，也可以收到相應(yīng)的WIFI信號(hào)，而相比之下，藍(lán)牙的傳輸距離就比較短，藍(lán)牙只有在半徑15m的范圍內(nèi)才可以傳輸。（2）傳輸?shù)乃俣瓤旄哌_(dá)54Mb/s的傳輸速率允許WiFi用戶隨時(shí)隨地接收網(wǎng)絡(luò)，并快速享受各種寬帶信息，如在VR游戲，抖音直播等需要網(wǎng)速較快的情景下服務(wù)。（3）應(yīng)用度高今天有越來(lái)越多配備WiFi的電子設(shè)備，手機(jī)，筆記本電腦和平板電腦幾乎都包括主流標(biāo)準(zhǔn)配置的WiFi。因此，WiFi被用作無(wú)線傳輸模塊。該模塊使用高速嵌入式Wi-Fi模塊ESP8266.WIFI通信模塊驅(qū)動(dòng)器和TCP/IP協(xié)議棧內(nèi)部集成，ESP8266是低功耗嵌入式WIFI模塊。屬性●單獨(dú)工作電壓：3.3V；● 功耗：- 連接AP且無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，<7mA;- 20kbps 下發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，<22mA；- 待機(jī)模式時(shí)，8μA；●Wi-Fi 連接屬性- 支持2.4GHz 下的802.11b/g/n1~16 信道- WEP,WPA/WPA2PSK/Enterprise 加密- 傳輸功率：16.5dBm@11b,15.5dBm@11g,14.5dBm@11n- 最小接收靈敏度：-98dBm- 最大數(shù)據(jù)傳輸速率：11Mbps@11b,54Mbps@11g,72Mbps@11nHT20- WIFI 模式：Station,SoftAP 和WIFI 直連- 1x1802.11n 高級(jí)屬性●工作溫度：-40℃~85℃3.6蜂鳴器模塊設(shè)計(jì)蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的發(fā)聲器件，可以通過(guò)直流電壓提供電源，市面上大多數(shù)應(yīng)用于一些小型設(shè)備比如計(jì)算機(jī)、報(bào)警器、等一些簡(jiǎn)單的電子模塊中作為一種可以發(fā)出聲音的器件。蜂鳴器主要分為兩種：一種為壓電式蜂鳴器；另一種為電磁式蜂鳴器；兩種蜂鳴器各有不同。1. 壓電式蜂鳴器由以下幾個(gè)部件組成，共鳴腔、外殼、多諧震蕩器、阻抗匹配器、壓電蜂鳴片，其中多諧振蕩器是有多個(gè)晶體管和集成電路組成的。發(fā)聲時(shí)，頻率大概在1.5到2.5k赫茲，為有源聲音信號(hào)。壓電式蜂鳴器在接通電源后，壓電蜂鳴器中的多諧振蕩器產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，從而產(chǎn)生有緣聲音信號(hào)，而壓電蜂鳴器中的阻抗匹配控制器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)生振動(dòng)，從而發(fā)出聲音。2. 電磁式蜂鳴器主要由以下幾部分組成，塑料外殼、振動(dòng)膜片、振蕩器、磁鐵、電磁線圈。原理主要是由電產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)電磁式蜂鳴器接通電源后，在電磁線圈和磁鐵的相互影響下，震蕩器產(chǎn)生可以觀測(cè)的有源信號(hào)，有源信號(hào)通過(guò)電磁線圈使其周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)振動(dòng)膜片受到磁場(chǎng)的作用，開始規(guī)律性的振動(dòng)，從而發(fā)出聲音。驅(qū)動(dòng)方式及電路自激式蜂鳴器引腳連接著三極管放大器的基極，可以通過(guò)三極管使得蜂鳴器發(fā)出聲響，不需要使用其他交流信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，完全是由直流電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在引腳驅(qū)動(dòng)輸出口輸出一定的電壓，就可以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作了。 圖4-8蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路第4章軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1機(jī)智云簡(jiǎn)介機(jī)智云平臺(tái)是業(yè)界的長(zhǎng)期努力和對(duì)物聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)行業(yè)的深刻變革，為個(gè)人和企業(yè)打造的一個(gè)智能硬件云服務(wù)平臺(tái)，這款云平臺(tái)可以為用戶提供相應(yīng)的配套物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)工具及服務(wù)，比如：硬件接入服務(wù)、開放平臺(tái)服務(wù)以及分析服務(wù)。當(dāng)我們通過(guò)SmartCloud背景的自助訪問(wèn)免費(fèi)連接到開發(fā)板時(shí)，我們可以在大約30分鐘內(nèi)完成物聯(lián)網(wǎng)原型設(shè)備的開發(fā)。通過(guò)智能云背景可視化設(shè)備功能定義工具，可以免費(fèi)實(shí)現(xiàn)硬件廠商自助，快速訪問(wèn)云硬件產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)。SmartCloud為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接，遠(yuǎn)程控制和互連提供免費(fèi)的云服務(wù)支持。通過(guò)SmartCloud后臺(tái)完成設(shè)備的功能定義后，后臺(tái)自動(dòng)生成負(fù)責(zé)底層通信的SDK（應(yīng)用程序開發(fā)工具包）。開發(fā)人員只需完成界面用戶體驗(yàn)層的開發(fā)，然后在集成SDK上完成智能硬件App的開發(fā)。設(shè)備連接到SmartCloud后。通過(guò)SmartCloud的開放平臺(tái)，更多的第三方應(yīng)用程序開發(fā)人員可以為用戶提供應(yīng)用程序開發(fā)服務(wù)。SmartCloud不僅提供免費(fèi)的統(tǒng)計(jì)分析和設(shè)備數(shù)據(jù)處理，還為智能硬件和第三方智能硬件的互連提供了基本條件。通過(guò)簡(jiǎn)單的自助工具，完善的SDK和API服務(wù)功能，就可以在一定程度上降低了物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)的技術(shù)門檻。智慧云平臺(tái)為開發(fā)人員提供自助式智能硬件開發(fā)工具和開放式云服務(wù)，不僅最大限度降低了開發(fā)人員的成本，也在一定程度上提高了物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備開發(fā)人員的產(chǎn)品生產(chǎn)速度，并且智能升級(jí)了開發(fā)人員。更好連接并服務(wù)于最終消費(fèi)者。圖5-1平臺(tái)接入示意圖4.2MCU快速開發(fā)SmartCloudPlatform是一個(gè)致力于物聯(lián)網(wǎng)和智能硬件云服務(wù)的開放平臺(tái)。WitCloud專注于提供智能云服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)軟件和硬件解決方案，以幫助傳統(tǒng)硬件供應(yīng)商升級(jí)其產(chǎn)品并快速實(shí)現(xiàn)硬件智能。為了實(shí)現(xiàn)硬件的智能，除硬件本身外，還需要實(shí)現(xiàn)：智能云平臺(tái)，移動(dòng)APP，網(wǎng)絡(luò)模塊，每個(gè)領(lǐng)域都需要專業(yè)的團(tuán)隊(duì)支持。WitCloud提供了一個(gè)完整的解決方案，允許供應(yīng)商或開發(fā)人員專注于他們自己的產(chǎn)品硬件。以最小的成本和風(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)硬件智能，并獲得產(chǎn)品的最大附加值。本節(jié)介紹了云設(shè)備訪問(wèn)的基本過(guò)程。硬件設(shè)備與機(jī)智云數(shù)據(jù)交互流程如圖所示：.圖5-2機(jī)智云自助接入流程如圖所示。注冊(cè)成為智能云開發(fā)人員在使用智能云平臺(tái)服務(wù)之前，您需要注冊(cè)一個(gè)WitCloudDeveloper帳戶。單擊以注冊(cè)WitCloudDeveloper帳戶，將其分為“個(gè)人帳戶”和“企業(yè)帳戶”，如下圖所示。如果您是企業(yè)用戶，請(qǐng)務(wù)必申請(qǐng)公司帳戶（具有更多企業(yè)服務(wù)需求）。B.創(chuàng)建產(chǎn)品在開發(fā)者中心點(diǎn)擊“創(chuàng)建新產(chǎn)品”后輸入產(chǎn)品名稱以及選擇對(duì)應(yīng)設(shè)備接入方案即可完成“新產(chǎn)品”的創(chuàng)建。第一步、點(diǎn)擊“創(chuàng)建新產(chǎn)品”；第二步、輸入產(chǎn)品名稱與選擇設(shè)備接入方案；第三步、創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)擊“新建數(shù)據(jù)點(diǎn)”，添加開關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)點(diǎn)；第四步、下載云端自動(dòng)生成的協(xié)議。C.設(shè)備與應(yīng)用開發(fā)設(shè)備端訪問(wèn)：開發(fā)人員或企業(yè)R人員只需要在正在開發(fā)的智能硬件上嵌入編寫智能云連接協(xié)議GAgent的網(wǎng)絡(luò)模塊，即可通過(guò)智能云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備組網(wǎng)和智能。包括Wi-Fi，GPRS等主流聯(lián)網(wǎng)方式，還支持BLE，GSM，CDMA，Zigbee，LoRa等網(wǎng)絡(luò)解決方案。應(yīng)用程序端訪問(wèn)：開發(fā)人員或企業(yè)R人員可以將智能云提供的APPSDK集成到正在開發(fā)的移動(dòng)應(yīng)用程序中，并連接到智能云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)APP通過(guò)云控制智能設(shè)備。D.調(diào)試產(chǎn)品開發(fā)人員在WitCloud開發(fā)人員中心創(chuàng)建產(chǎn)品后，您可以參考Wisdom云文檔中心的相關(guān)技術(shù)文檔進(jìn)行智能產(chǎn)品開發(fā)。在調(diào)試過(guò)程中，開發(fā)和調(diào)試設(shè)備將連接到WisdomCloudSandbox服務(wù)器（測(cè)試服務(wù)器），為開發(fā)人員提供完整的測(cè)試環(huán)境和智能云的一些功能。產(chǎn)品開發(fā)完成后，需要申請(qǐng)發(fā)布，開發(fā)的產(chǎn)品將重新部署到生產(chǎn)服務(wù)器。4.3主程序流程圖設(shè)計(jì)一、主程序流程圖：系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)為兩個(gè)模塊：初始化模塊和循環(huán)主體模塊。系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)調(diào)用子函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)傳遞相應(yīng)的參數(shù)來(lái)改變對(duì)應(yīng)的值，當(dāng)一個(gè)子函數(shù)被調(diào)用時(shí)，先判斷是否符合執(zhí)行條件，若符合條件則執(zhí)行相關(guān)語(yǔ)句，不符合直接返回。初始化模塊是主程序的重要組成部分，初始化主要是對(duì)寄存器的功能模式、定時(shí)器的工作方式以及其他端口的工作狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，在STM32開發(fā)板上電后，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化完成后進(jìn)行定時(shí)器和外部中斷，顯示數(shù)據(jù)等操作。在系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的初始化之后，先判斷傳感器對(duì)應(yīng)端口的電平狀態(tài)，若為低電平則重新初始化，若為高電平則調(diào)用傳感器的子程序并開始采集數(shù)據(jù)，子程序中可以設(shè)定閾值并可以進(jìn)行修改，之后OLED顯示當(dāng)前的溫度、濕度和煙霧濃度值，此時(shí)，用當(dāng)前的測(cè)量值與閾值進(jìn)行比較，若測(cè)量值大于閾值，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，若小于則繼續(xù)顯示。主程序流程圖如圖所示：圖5.3.1主程序流程圖4.4模塊代碼流程圖設(shè)計(jì)4.4.1、OLED顯示流程圖OLED模塊顯示主要是通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的子函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，下面介紹OLED顯示屏顯示一個(gè)字符串：“Temp”,主函數(shù)的語(yǔ)句為：OLED_ShowString(63,48,”Temp”);OLED_Refresh_Gram();63和48是相應(yīng)的位置坐標(biāo) 調(diào)用字符串顯示函數(shù)：voidOLED_ShowString(u8x,u8y,constu8*p);這個(gè)字符串顯示函數(shù)通過(guò)調(diào)用指針*p不斷調(diào)用字符顯示函數(shù)voidOLED_ShowChar(u8x,u8y,u8chr,u8size,u8mode);來(lái)顯示字符串中的每一個(gè)字符，在OLED_ShowChar()函數(shù)中又調(diào)用畫點(diǎn)函數(shù)：voidOLED_Drawpoint(u8x,u8y,u8t);把每個(gè)字符的點(diǎn)陣全部畫完。在STM32的SRAM中開辟一塊128*8字節(jié)的空間OLED_GRAM[128][8].用來(lái)存放對(duì)應(yīng)屏幕上的坐標(biāo)，也就是OLED_GRAM中保存了所有點(diǎn)的坐標(biāo)。 OLED_Refresh_Gram();的作用就是把128*8字節(jié)的空間OLED_GRAM[128][8]里的數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)for循環(huán)全部寫入到SSD1306(OLED模塊控制器)的GRAM中。通過(guò)調(diào)用OLED_WR_Byte()函數(shù)。這個(gè)函數(shù)作用是向SSD1306中寫入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。對(duì)OLED進(jìn)行過(guò)初始化OLED_WR_Byte()函數(shù)，字符串就顯示在屏幕上了。如圖所示圖4.4.1OLED界面顯示流程圖4.4.2煙霧傳感器煙霧傳感器模塊主要分為數(shù)據(jù)采集模塊和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，當(dāng)煙霧傳感器完成初始化之后，開始采集煙霧濃度數(shù)據(jù)，然后再由ADC模塊將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)STM32讀取數(shù)據(jù)后，在OLED上顯