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文檔簡介

基于STM32的教室環(huán)境檢測系統(tǒng)的設(shè)計摘要近年來,我國教育規(guī)模不斷擴大,一方面體現(xiàn)在在校學(xué)生總?cè)藬?shù)逐年增加,另一方面體現(xiàn)在大量新建、改建教學(xué)樓和校舍投入使用。教學(xué)樓修建過程中,由于大量建筑材料的使用、教學(xué)設(shè)備的安裝等因素,新建教學(xué)樓的室內(nèi)空氣質(zhì)量常出現(xiàn)不達標的問題。在用的教學(xué)樓,也普遍缺乏對衛(wèi)生間氣味檢測、教室內(nèi)的二氧化碳濃度測量、家居有害氣體排放濃度測量等。教學(xué)樓內(nèi)人員密度大、流動頻繁,空氣污染問題如果不能及時被發(fā)現(xiàn)并加以控制,將會對廣大師生的身心健康造成嚴重影響。目前存在的主要問題,一是教學(xué)樓內(nèi)未安裝有針對性的空氣質(zhì)量檢測設(shè)備,二是安裝有部分氣體的檢測,但不全面,缺少整體評價。針對上述問題,本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)樓空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。分析了教學(xué)樓場景下的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的實際需求,設(shè)計了系統(tǒng)架構(gòu),完成了兩類空氣質(zhì)量監(jiān)測節(jié)點的軟硬件設(shè)計,搭建了教學(xué)樓空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),并且進行了系統(tǒng)性能測試與系統(tǒng)功能測試。關(guān)鍵詞:STM32;環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng);智能控制目錄TOC\o"1-3"\h\u16394摘要 112060第1章緒論 4185051.1研究背景 488991.2研究背景 521951第2章基于STM32的教室環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計理念 562092.1系統(tǒng)的物理架構(gòu) 557062.2系統(tǒng)整體設(shè)計概括 6944第3章系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計與實現(xiàn) 772803.1主控制器模塊 7105053.2數(shù)據(jù)采集模塊 8209013.2.1甲醛采集模塊 8132583.2.2溫濕度采集模塊 10255703.2.3光照采集模塊 13206563.2.4二氧化碳采集模塊 14207243.2.5PM2.5采集模塊 165963.3無線通信模塊 1713093.4硬件平臺搭建 1828596第4章系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計與實現(xiàn) 19286824.1Web平臺設(shè)計 1991914.1.1用戶登錄 19189844.1.2網(wǎng)站主頁面 20124284.1.3實時數(shù)據(jù)顯示 21219754.1.4曲線分析 22288654.2Android客戶端設(shè)計 227884.2.1用戶登錄 22226794.2.2系統(tǒng)主頁面 23208764.2.3環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 24239045.2.4系統(tǒng)閥值設(shè)定 25277074.2.5報警記錄 2595554.2.6家電控制 2648644.3通信協(xié)議設(shè)計 2624912第5章系統(tǒng)測試與應(yīng)用 28188905.1通信測試 2825115.2硬件平臺測試 29169785.3功能模塊測試 3016449總結(jié) 3123677致謝 3224675參考文獻 33第1章緒論1.1研究背景隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展,空氣污染對人們的身心健康影響也越來越大??諝馕廴炯航?jīng)嚴重損害了人們的健康,不僅是室外的空氣對人身體有害,室內(nèi)空氣質(zhì)量差對健康損害也很大。據(jù)研究表明室內(nèi)空氣污染是室外空氣污染的數(shù)倍,并且人們在室內(nèi)活動的時間約占總時間的90%。2016年世界銀行發(fā)布的一份統(tǒng)計報告指出,空氣污染、肥胖、飲食和吸煙是世界上引起死亡的四大最主要的誘因。不僅如此,在全世界范圍內(nèi)空氣污染還造成直接或間接經(jīng)濟損失巨大,據(jù)美國環(huán)境保護署的調(diào)查得知,僅美國每年因空氣污染造成的損失高達400多億美元。我國的空氣污染形勢也十分嚴峻,清華大學(xué)的胡鞍鋼教授在研究報告中表明,至少有2.7億的中國人的生活受到空氣污染的影響,由于空氣污染原因,每年新增1500萬例支氣管炎病患者,有23000人死于呼吸道疾病,其中青少年占有很大的比例。2001年國家標準委員會發(fā)布了《民用工程建筑室內(nèi)空氣環(huán)境污染控制規(guī)范》GB50325-2001旨在減少室內(nèi)空氣污染對人的健康的損害,同時也為室內(nèi)空氣質(zhì)量評價體系提供了權(quán)威的標準。2002年衛(wèi)生部、國家環(huán)保總局及國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局又聯(lián)合頒布的《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》GB/T18883-2002,己在次年正式生效。該標準的部分內(nèi)容如表1.1所示。人們可以根據(jù)該標準針對性改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量。表1.1室內(nèi)空氣質(zhì)量標準值表2020年新型冠狀病毒的爆發(fā)也讓我們認識到了教室作為高密度人居場所,一旦教室出現(xiàn)疫情,那么傳播速度將會十分迅速。高密度人群教室不僅會受到傳染病的侵擾,還會受到化學(xué)性揮發(fā)物的傷害。在新裝修的教室中,裝修的涂料、油漆、課桌、座椅等會釋放甲醛,甲醛超標會引發(fā)白血病。有研究表明,80%白血病患者是因為住進新裝修的房間吸入含有甲醛的空氣導(dǎo)致的。當冬天來臨時,教室窗戶長時間處于封閉狀態(tài),加上教室里的學(xué)生較多,產(chǎn)生的二氧化碳的濃度會高出正常值幾十倍,當教室的二氧化碳濃度過高時,會使學(xué)生們?nèi)菀追咐В瑯O大地降低了學(xué)習(xí)效率。1.2研究背景隨著時代的進步,現(xiàn)在市場上各種空氣質(zhì)量檢測設(shè)備開始出現(xiàn)。傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量評估設(shè)備測量的氣體比較單一,價格比較昂貴,空氣質(zhì)量的評估不夠全面。而且近幾年來的室內(nèi)空氣質(zhì)量評估系統(tǒng)基本都是針對家庭臥室、商場和醫(yī)院的空氣質(zhì)量評估設(shè)備的比較多,缺少專門針對教室的空氣質(zhì)量評估的設(shè)備。傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量評估設(shè)備大多數(shù)只是評估各個空氣成分,無法實現(xiàn)對空氣的調(diào)控功能,改善空氣質(zhì)量。現(xiàn)在的中小學(xué)教室使用的基本上使用中央空調(diào)來調(diào)溫和換風(fēng),使用中央空調(diào)換風(fēng)的耗能較大,而且出現(xiàn)新冠肺炎傳染病時會發(fā)生病毒的氣溶膠傳播,感染風(fēng)險極大,無法達到教室空氣調(diào)控效果。綜上所述,教室空氣質(zhì)量感知與調(diào)控系統(tǒng)的研究不僅能為降低教室二氧化碳的濃度、提高老師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)效率提供切實可行的解決方案,還能夠為新型冠狀病毒或其他傳染病的防控提供有力的防疫措施。該系統(tǒng)也對教室空氣的改善、保護學(xué)生身體健康具有重要的意義,為現(xiàn)代化教室的建設(shè)提供了新思路,具有一定的實用價值。第2章基于STM32的教室環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計理念2.1系統(tǒng)的物理架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)圖如下圖2.3所示。從下至上分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,其中在應(yīng)用層中,可以將物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)應(yīng)用于節(jié)能減排、環(huán)境監(jiān)測、安全防范、智能家居、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智能電網(wǎng)、智能交通等行業(yè)中。在本論文我們就是將現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測方面。在系統(tǒng)最底層的感知層主要負責(zé)對環(huán)境因子的數(shù)據(jù)進行采集,同時接受應(yīng)用層的控制命令,并作出相應(yīng)的動作。中間的網(wǎng)絡(luò)層則負責(zé)數(shù)據(jù)信號的傳輸。最頂層的應(yīng)用層是對網(wǎng)絡(luò)層傳輸過來的數(shù)據(jù)信息進行分析和處理,應(yīng)用層是主要面向用戶的,一般包括手機客戶端應(yīng)用程序(APP)和Web平臺。圖2.3物聯(lián)網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)2.2系統(tǒng)整體設(shè)計概括基于以上對系統(tǒng)的需求和物理架構(gòu)的分析,室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量檢測系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2.4所示。該系統(tǒng)主要包括兩個方面的設(shè)計,分別是硬件平臺的設(shè)計和軟件平臺的設(shè)計。硬件平臺中主控制器芯片是STM犯系列單片機,其強大的功能能夠滿足系統(tǒng)的需求。CPRS通信模塊主要包括兩個部分,一個是SIM900通信模塊,另一個是以PIC系列單片機為控制芯片的控制模塊,該通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和控制指令的接受。數(shù)據(jù)采集模塊采集的室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)通過STM32單片機發(fā)送至CPRS通信模塊,通信模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器,并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。當環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定值時,CPRS通信模塊還可以給用戶發(fā)送報警信息,用戶可以根據(jù)報警信息來進行相應(yīng)的操作。這時用戶可以通過手機客戶端來下發(fā)控制指令到下位機,下位機執(zhí)行控制指令到具體的響應(yīng)模塊,來控制窗簾、燈、或者空調(diào)的開關(guān)。軟件平臺主要有Web端和Android手機端,在系統(tǒng)的設(shè)計中,Android客戶端是面向于廣大用戶的,Web端是面向于裝修公司的管理員的,分別來設(shè)計可以方便管理員和用戶了解裝修后房屋的室內(nèi)環(huán)境情況。為了便于用戶更直觀的看到室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù),我們又增加了一個液晶顯示模塊,用來顯示當前的環(huán)境參數(shù)。圖2.4室內(nèi)環(huán)境檢測系統(tǒng)整體架構(gòu)圖第3章系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計與實現(xiàn)3.1主控制器模塊本論文系統(tǒng)硬件電路設(shè)計中控制器采用STM32系列的STM32F103zET6芯片,該芯片是由意法半導(dǎo)體公司(ST)推出,是一款采用了Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)的32位ARM微控制器。該芯片具有的高性能和低功耗的特點成為廣大用戶的首先。由于STM32系列芯片具有高性能的特點,所以被廣泛應(yīng)用于一些需要低功耗和運算能力強的場合。其常見的應(yīng)用場合如下:(1)工業(yè)控制場合:打印機、PLC、工業(yè)變頻器等。(2)低能耗場合:電子血壓計、電表等。(3)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng):智能家居、智能農(nóng)業(yè)、智能工業(yè)等物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。(4)通訊應(yīng)用:報警系統(tǒng)、對講機。(5)電子產(chǎn)品:PC游戲外設(shè)、手持設(shè)備、CPS平臺。本系統(tǒng)中采用的STM32F103zET6芯片屬于STM32F103加強型產(chǎn)品,其工作頻率最高至72MHZ,該芯片集成了定時器、CAN、I2C、SPI、ADC、USB、UART等多種功能。STM32F103系列的MCU內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖4.1所示。國4.1STM32內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.2數(shù)據(jù)采集模塊本系統(tǒng)硬件電路中對環(huán)境因子的數(shù)據(jù)采集一共分為五個功能模塊,分別為甲醛采集模塊、溫濕度采集模塊、光照強度采集模塊、C02采集模塊和PM2.5采集模塊。所以接下來要主要對這幾個模塊展開介紹。3.2.1甲醛采集模塊本論文中對甲醛濃度的采集是采用廣州市某科技公司生產(chǎn)是MQ138氣體檢測模塊,該模塊傳感器使用的氣敏元件是二氧化錫(Sn02),二氧化錫在干凈的空氣中電導(dǎo)率很小,所以當處于含有有機蒸汽的空間中時,傳感器的電導(dǎo)率會隨著空氣中有機蒸汽濃度變化而變化,具體表現(xiàn)為隨濃度的增加而增大,MQ138氣體檢測模塊中使用較為簡單的電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的電壓信號進行輸出。該傳感器對于甲醛的靈敏度極高,同時具有壽命長、成本低的特點,在一定程度上可以節(jié)約成本。下面對MQ138氣體檢測模塊進行介紹。(1)MQ138氣體傳感器性能MQ138傳感器對甲醛濃度的測量范圍是5-500ppm,即3.75-375mg/m3,工作電壓是DC4.8-5.2V,工作環(huán)境溫度為-10℃-50℃。MQ138氣體檢測模塊的技術(shù)對數(shù)如下表4.1所不。表4.1MQ138氣體檢測模塊的技術(shù)對數(shù)(2)MQ138氣體檢測模塊引腳說明本系統(tǒng)中甲醛濃度的采集模塊用到的傳感器是MQ138氣體傳感器,該傳感器模塊有四個引腳,分別為VCC、DOUT、AOUT、和CND。VCC用來連接電源的正極,CND用來連接電源的負極,DOUT為電平信號輸出接口,AOUT為模擬信號的輸出接口??梢愿鶕?jù)AOUT的輸出值計算出甲醛氣體的濃度。MQ138傳感器模塊如下圖4.2所示。圖4.2MQ138傳感器模塊(3)MQ138氣體傳感器工作原理及物理轉(zhuǎn)換MQ138傳感器在不同的環(huán)境中可以計算出MQ氣體傳感器的靈敏度(R0/RS),根據(jù)靈敏度和氣體濃度之間的對數(shù)關(guān)系計算出相應(yīng)氣體的濃度。下面將介紹具體的計算方法。在干凈的空氣中,可以按照公式來計算氣敏元件的電阻值,公式4-1如下:(4-1)其中,VCC表示電源的供電電壓,RL表示氣敏元件的負載電阻,VRL表示在干凈空氣中AOUT引腳輸出的值。當傳感器檢鋇」到氣體時,測出AOUT的輸出值,可以由公式計算出RS的值。公式4-2如下:(4-2)其中,部分參數(shù)同上,值得注意的是,此時VRL表示的值是檢測氣體后AOUT的值。根據(jù)MQ138傳感器的數(shù)據(jù)手冊可知,氣敏元件的靈敏度與測定氣體濃度之間存在對數(shù)關(guān)系。具體關(guān)系表達式4-3如下:LnS=a+blnV(4-3)其中,S=R0/RS,表示其靈敏度,V表示氣體濃度,a、b為修正參數(shù)。根據(jù)上述幾個公式可以計算出測定氣體的濃度,注意此時計算出的氣體濃度的單位是PPm,而我國的標準單位是mg/m3,所以要進行單位間的換算,具體的換算公式4-4如下:X=(4-4)其中,X表示氣體污染物以每立方米的毫克數(shù)作為單位的濃度值,M代表污染物分子量,C代表污染物是以ppm單位的濃度值。3.2.2溫濕度采集模塊本系統(tǒng)中對室內(nèi)環(huán)境中溫濕度的采集時采用的DHTZI數(shù)字溫濕度傳感器,該傳感器具有高穩(wěn)定性和可靠性。同時還集成了溫濕度傳感器技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)。其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,可應(yīng)用在家電、醫(yī)療、自動控制、暖通空調(diào)、氣象站、濕度調(diào)節(jié)器、測試及檢測設(shè)備等場合。(1)DHTZI溫濕度傳感器的性能說明如下表4.2所示。表4.2DHT21溫濕度傳感器的性能(2)DHTZI溫濕度傳感器的引腳說明DHT21溫濕度傳感器有四個引腳,分別為VDD、DATA、GND、NC。引腳說明如下表4.3。表4.3DHT21溫度傳感器引腳說明DHT21溫濕度傳感器模塊如下圖4.3所示。圖中紅色線代表VCC,黃色線代表DATAOUT數(shù)據(jù)輸出,黑色線代表CND(接地)。在實驗室使用該傳感器時,需上電等待1S后再發(fā)送相應(yīng)的指令,為了達到去禍濾波的目的,可以在電源引腳之間加上一個l00nF的電容。圖4.3DHT溫濕度傳感器模塊圖4.4DHT21與MCU連接圖(3)DHTZI溫濕度傳感器的單總線接口說明DHTZI溫濕度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式,也就是上述所說的DATA引腳可以用于控制器與DHTZI之間的通訊和同步,一次通訊時間在sms左右。具體的單總線的數(shù)據(jù)格式如下面說明,當前的數(shù)據(jù)傳輸是4obit,高位先出。數(shù)據(jù)格式:40bit數(shù)據(jù)=16bit濕度數(shù)據(jù)+l6bit溫度數(shù)據(jù)8bit校驗和例子:接收40bit數(shù)據(jù)如下:0000001010001100000000010101111111101110濕度數(shù)據(jù)溫度數(shù)據(jù)校驗和濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位=的末8位=校驗和例如:00000010+10001100+00000001+01011111=11101110濕度=65.2%RH溫度=35.1℃當溫度低于O℃時溫度數(shù)據(jù)的最高位置1。例如:-10.1℃表示為10000000011001013.2.3光照采集模塊本論文系統(tǒng)中對光照強度的采集是使用的BH175O傳感器模塊,該傳感器是由日本ROHM公司推出的一款數(shù)字式光照傳感器。(1)BH1750傳感器性能BH175o傳感器的性能如下面表格4.4所示。表4.4BH1750傳感器性能(2)BH175o傳感器模塊引腳說明BH175O傳感器模塊有五個引腳,分別為VCC、CND、ADDR、SCL和SDA,其中VCC用來接電源的正極,CND用來接電源的負極或者接地,ADDR是地址選擇引腳,SCL是12c總線的串行時鐘信號引腳,SDA是12c總線的串行數(shù)據(jù)引腳。其模塊如圖4.5所示。圖4.5BH1750傳感器模塊(3)BH1750傳感器工作原理在工作時序上,BH1750傳感器與I2C總線相同。下面對BH1750傳感器的常用命令進行介紹。BH175O的尋址命令由八位二進制數(shù)0和1組成,包括七位地址標識位和一位讀寫位,其中讀寫位中O代表寫,1代表讀。BH175O常用命令如下表4.5所示。表4.5BH1750常用命令3.2.4二氧化碳采集模塊本論文系統(tǒng)中對二氧化碳的采集使用的是MG-811傳感器,該傳感器屬于固體電解質(zhì)型傳感器,具有較好的靈敏度和選擇性。(1)MG-811傳感器的性能MG-811傳感器的性能如下表4.6所示。表4.6MG-811傳感器性能(2)MG-811傳感器模塊引腳說明MG-811傳感器模塊有五個引腳,分別為VCC、DOUT、AOUT、CND和TCM,VCC是來接電源的正極,CND用來接電源的負極或者接地,DOUT為輸出引腳,AOUT為測量的二氧化碳的電壓值,TCM為溫度補償輸出引腳。MG-811傳感器模塊如下圖4.6所示。圖4.6MG-811傳感器模塊(3)MG-811傳感器工作原理和物理量轉(zhuǎn)換MG-811傳感器模塊的原理圖如下圖4.7所示。圖4.7MG-811傳感器模塊的原理圖由原理圖可以知道,傳感器與高輸入阻抗運算放大器CA3140A相連接,由AOUT引腳輸出經(jīng)過放大電路的二氧化碳的EMF值,輸出的電壓,為模擬量,根據(jù)以下公式4-5可以計算出二氧化碳的EMF值Uco2。(4-5)其中Rl為20K,R3為10K。由MG-811的靈敏度可以得知,MG-811傳感器的EMF(電壓值)隨二氧化碳濃度的變化而變化,所以,與二氧化碳濃度之間的對數(shù)關(guān)系表達式如4-6:(4-6)其中,為二氧化碳的濃度,單位是PPm,a、b為公式的修正參數(shù)。根據(jù)靈敏度特性以及數(shù)學(xué)運算方法,計算出二氧化碳的濃度,然后按照國家標準將二氧化碳濃度的單位ppm換算為%,單位間的換算關(guān)系為4-7所示:(4-7)3.2.5PM2.5采集模塊本論文系統(tǒng)中用來采集PM2.5的是SDSOll傳感器,該傳感器是采用激光散射的原理,得到空氣中PM2.5的濃度。具有數(shù)據(jù)準確、響應(yīng)快速、便于集成、分辨率高等特點,同時該傳感器模塊內(nèi)置風(fēng)扇。其可以應(yīng)用于PM2.5檢測儀、凈化器、過濾系統(tǒng)等,應(yīng)用范圍廣泛。(1)SDSOll傳感器模塊的性能SDS011傳感器模塊的性能如下表4.7所示。表4.7SDS011傳感器模塊的性能(2)SDS0ll傳感器模塊的引腳說明SDSOll傳感器模塊一共有七個引腳,分別為NC、lum、5V、25um、CND、RXD、TXD。NC為控制引腳,1um和25um是分別用來測量PM2.5和PMIO輸出的PWM波形,5V是介入5V的電壓輸入,CND用來接地,RXD和TXD分別對應(yīng)串口的接受數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的。SDSOll傳感器模塊如下圖4.8所示。圖4.8DS011傳感器模塊(3)SDS0ll模塊的工作原理SDS0ll傳感器時采用激光散射原理,當空氣中的顆粒物被激光照射時,會產(chǎn)生很微弱的光散射,而光散射的波形是與顆粒物的直徑有直接關(guān)系的,通過對不同的波形分析,就可以得到不同顆粒物的濃度,再按照國家標準單位進行換算,就得到我們需要采集的顆粒物的數(shù)量濃度。3.3無線通信模塊無線通信模塊采用的是SIM900A和控制芯片,其中控制芯片是PlC系列單片機,SIM9OOA具有GSM和GPRS集成功能,該產(chǎn)品還具有標準的AT命令接口,與單片機同時時采用的串口通信方式。SIM900A的使用范圍很廣,可以用于家居、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等用于進行環(huán)境監(jiān)測的場合中。SIM900A的通信模塊圖如下圖4.9所示。GPRS通信模塊與STM32單片機進行串口連接,通過AT命令來實現(xiàn)上網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的功能。圖4.9無線通信模塊圖3.4硬件平臺搭建基于以上對硬件平臺中各個模塊的研究和設(shè)計,我們搭建好了硬件平臺。系統(tǒng)硬件平臺的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖4.10所示。圖4.10系統(tǒng)硬件平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖為了看起來美觀,我們將其組合拼裝,則包裝后的整體外觀圖如下圖4.11所示。圖4.11硬件系統(tǒng)外觀圖第4章系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計與實現(xiàn)4.1Web平臺設(shè)計為了方便管理員對用戶室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的變化的分析,更加直觀的看到室內(nèi)環(huán)境各個因子的濃度變化,開發(fā)了B/s架構(gòu)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。Web平臺是基于Java語言,在MyEcliPse平臺上面開發(fā)的。B/s架構(gòu)的系統(tǒng)開發(fā)簡單,便于維護升級,數(shù)據(jù)安全性高。下面將分別從不同的模塊設(shè)計介紹Web平臺的開發(fā),包括管理員登錄頁面設(shè)計、實時數(shù)據(jù)顯示頁面設(shè)計、曲線分析頁面設(shè)計、歷史數(shù)據(jù)查詢頁面設(shè)計。4.1.1用戶登錄在Web平臺的設(shè)計中,首先要設(shè)計和實現(xiàn)的功能就是管理員的登錄功能。在系統(tǒng)的登錄頁面中,管理員輸入賬號和密碼進行登錄操作,若輸入的登錄信息錯誤,則跳轉(zhuǎn)到錯誤頁面。若登錄成功,管理員也可以根據(jù)自己的需求進行相應(yīng)的密碼修改操作。管理員登錄頁面具體設(shè)計如下5.1所示。圖5.1管理員登錄頁面設(shè)計登錄操作的的具體流程圖如下5.2所示。開始開始輸入用戶名和密碼判斷用戶名和密碼是否正確登錄成功,跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)首頁提示錯誤,請重新輸入圖5.2用戶登錄流程圖在登錄頁面,管理員可以輸入用戶名和密碼,這時使用doPost()方法獲取loginjsp頁面上輸入的信息,并對數(shù)據(jù)庫中存儲的信息進行驗證。如果該條信息能夠在數(shù)據(jù)庫中查詢到,則表示該管理員的賬號和密碼是正確的,登錄成功,頁面會跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)首頁;如果數(shù)據(jù)庫中沒有該條信息,則表示該管理員不是合法管理員,那么頁面將會跳轉(zhuǎn)到錯誤提示頁面。4.1.2網(wǎng)站主頁面在登錄頁面一旦管理員登錄成功,那么頁面就會跳轉(zhuǎn)到網(wǎng)站的主界面,網(wǎng)站的主頁面主要分為三部分:頁面頂端、頁面左側(cè)的導(dǎo)航欄和頁面中間部分。其中頁面頂端主要包括網(wǎng)站首頁、信息修改和退出三部分。頁面左側(cè)的導(dǎo)航欄包括室內(nèi)環(huán)境檢測平臺介紹、實時數(shù)據(jù)顯示、曲線分析和歷史數(shù)據(jù)查詢。頁面中間部分是對相應(yīng)信息的顯示。網(wǎng)站主頁面設(shè)計的如下圖5.3所示。圖5.3網(wǎng)站主頁面4.1.3實時數(shù)據(jù)顯示在網(wǎng)站主頁面的左側(cè)導(dǎo)航欄中,點擊“實時數(shù)據(jù)顯示”,就會在頁面顯示出當前室內(nèi)環(huán)境中甲醛、二氧化碳、溫濕度、光照強度和PM2.5的值,這樣管理員就可以直觀清楚用戶室內(nèi)環(huán)境的優(yōu)劣,選擇用戶,點擊“實時刷新”按鈕,就實時顯示當前用戶室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實時數(shù)據(jù)。然后再根據(jù)不同情況采取相對應(yīng)的方法來調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境,具體頁面如下圖5.5所示。圖5.5實時數(shù)據(jù)顯示4.1.4曲線分析論文中對于曲線分析模塊的設(shè)計如下圖5.6所示,管理員可以根據(jù)選擇不同的用戶和環(huán)境參數(shù)類型來查看用戶室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量情況。用戶室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量情況就是利用多傳感器融合技術(shù)來評估出來的,根據(jù)數(shù)據(jù)融合的算法來評估出環(huán)境的等級情況,我們在這里分為五個等級,分別是優(yōu)、良、一般、差、較差。圖5.6曲線分析模塊論文中采用HighchartS圖表技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時刷新的曲線圖。HighchartS是一個圖表庫,該圖表庫是采用JavascriPt編寫的。Highcharts可以支持多種類型的圖表,比如曲線圖、柱狀圖、餅狀圖、區(qū)域圖、散狀點圖和綜合圖表等。在代碼的編寫過程中,必須在相應(yīng)的Html中引入jOuery和Highcharts庫。4.2Android客戶端設(shè)計4.2.1用戶登錄室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中,從安全性的角度考慮,為每一個用戶設(shè)置了不同的登錄名和密碼,同時手機客戶端是不能進行密碼的修改的,若是用戶想要修改密碼或者找回密碼,可以聯(lián)系管理員,這樣可以保證用戶信息和系統(tǒng)的安全性。在用戶登錄模塊的設(shè)計中,用戶界面的布局文件為XML文件,為了便于開發(fā)人員的記憶,避免出現(xiàn)文件太多而產(chǎn)生混亂,在本系統(tǒng)中登錄模塊的布局文件名為login.xml。用戶登錄模塊的頁面設(shè)計如下圖5.8所示。5.8Android客戶端設(shè)計4.2.2系統(tǒng)主頁面手機客戶端的主頁面模塊主要包括環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、閡值設(shè)置、家電控制、報警記錄和退出登錄五個部分,其模塊頁面的設(shè)計圖如下圖5.10所示。圖5.10監(jiān)控主頁面在該模塊的設(shè)計中,我們在布局文件menu.xml中對Button按鈕控件定義一些方法,每一個Button按鈕都有一個唯一的方法與之相對應(yīng)。定義好方法以后,在主頁面對應(yīng)的MainActivity中實現(xiàn)該方法即可。相比于定義一個ID,實例化一個對象,再設(shè)置對象的監(jiān)聽(SetonChckListenne:),這種定義方法更簡單。4.2.3環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模塊是對當前室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集,并上傳至手機客戶端。對該模塊的設(shè)計中主要是數(shù)據(jù)的獲取和顯示,其設(shè)計頁面如下圖所示5.11所示。圖5.11環(huán)境監(jiān)測頁面本系統(tǒng)采用的Android客戶端到數(shù)據(jù)去取相應(yīng)的數(shù)據(jù),客戶端的數(shù)據(jù)隨著數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)變化而變化。在環(huán)境參數(shù)的實時顯示過程中,我們以室內(nèi)濕度的實時采集按鈕為例,來說明如何用代碼實現(xiàn)其實時顯示功能的。1、對變量進行聲明如前面所說,為了避免開發(fā)人員對一些控件的名稱混淆,聲明變量時,最好是根據(jù)控件的類型和控件任務(wù)進行命名。比如對濕度的采集按鈕Button控件的命名為btn_etHumidity。2、通過唯一的ID來獲取控件前面介紹中,一個控件有一個唯一的ID,使用控件時要根據(jù)findViewById()方法獲取控件。在布局文件中濕度按鈕控件的ID設(shè)置為btri一etHumidity,在Java源代碼中變量聲明時的命名可以和ID名稱一致,在這里我們?nèi)∠嗤拿Q,3、添加監(jiān)聽事件只有給控件添加了監(jiān)聽事件,點擊按鈕控件才會才會有響應(yīng),否則點擊按鈕動作無效。在采集濕度時,對B。tton控件的監(jiān)聽是使用了其onClickListener屬性。就如前面章節(jié)中的內(nèi)容所述,可以在布局文件中定義onClick方法,再去EnvironmentActivity中實現(xiàn)該方法,具體的過程如下所述。5.2.4系統(tǒng)閥值設(shè)定本論文設(shè)計的系統(tǒng)中對室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測的參數(shù)主要有以下幾種:溫度、濕度、二氧化碳、光照強度、甲醛和PM2.5。該模塊可以實現(xiàn)對其閡值進行設(shè)置,當某一個參數(shù)的值高于或者低于設(shè)定數(shù)值時,就會有提示信息告知用戶,該模塊的頁面設(shè)計如下圖5.12所示。圖5.12系統(tǒng)閡值設(shè)定頁面對系統(tǒng)閡值設(shè)定模塊設(shè)計中,布局文件中不僅用到了前面所說的線性和相對兩種方式,還使用了表格布局方式(TableLayout),這種布局方式特別的規(guī)整,行是行,列是列。大家可以在腦海里想象一下,一個TableLayout就類似與一個表格,一個TableRow對象就相當于一個行,你可以在這個表格里面任意寫入你需要的數(shù)據(jù)和控件。本論文中對于系統(tǒng)中的各項環(huán)境參數(shù)進行上下限的設(shè)置,在頁面的最低端有三個button按鈕,分別是保存、清空和取消。4.2.5報警記錄當室內(nèi)環(huán)境參數(shù)中的某一個值超出設(shè)定值時,系統(tǒng)將會給用戶發(fā)送報警信息,提示用戶某一個參數(shù)值超出其設(shè)定值,從而用戶根據(jù)提示來采取相應(yīng)措施將參數(shù)值降低。本系統(tǒng)中報警記錄模塊設(shè)計中,使用了Listview控件來顯示報警記錄的列表。該操作頁面中可以冊日除某一條的報警記錄,也可以全部清空,也可以點擊返回菜單返回主頁面。4.2.6家電控制當室內(nèi)環(huán)境中的某一個環(huán)境參數(shù)高于設(shè)定值時,下位機就會向用戶發(fā)送報警短信提示用戶。這個時候用戶可以根據(jù)情況來對家電進行操作,下發(fā)控制指令給下位機,比如控制窗簾、冰箱或者空調(diào)的開關(guān)狀態(tài)。Android端頁面的設(shè)計如下圖5.13所示。4.3通信協(xié)議設(shè)計前面我們介紹了對硬件平臺和軟件平臺的設(shè)計和實現(xiàn),并對硬件平臺進行了搭建。要想實現(xiàn)下位機傳感器檢測的數(shù)據(jù)上傳至上位機軟件中,必須要實現(xiàn)通信。為了保證通信的安全性、可靠性和準確性,需要自定義通訊協(xié)議,也就是約定好雙方數(shù)據(jù)的解碼和編碼方式,包括一致的基本數(shù)據(jù)類型、業(yè)務(wù)類型、字節(jié)序、消息內(nèi)容等。在本系統(tǒng)的設(shè)計中,采用了TLV(兩pe-Length-Value)編碼協(xié)議。其中兩pe字段是關(guān)于標簽和編碼格式的信息;Length字段定義數(shù)值的長度;value字段表示實際的數(shù)值。(1)數(shù)據(jù)上傳編碼格式(如表5.1所)表5.1實時數(shù)據(jù)通訊協(xié)議下位機中的溫濕度傳感器模塊、二氧化碳傳感器模塊、光照強度傳感器模塊、甲醛傳感器模塊和PM2.5傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)按照通訊協(xié)議組成一個數(shù)據(jù)幀發(fā)送至平臺服務(wù)器。通信過程中,通過截取兩個0x7E之間的數(shù)據(jù)來獲得一個數(shù)據(jù)幀,通過校驗位、數(shù)據(jù)長度來判斷是夠為正確的數(shù)據(jù)幀,如果是正確的數(shù)據(jù)幀,將通過獲取“sensorTyPe”值判斷該條數(shù)據(jù)是何種信息,如溫度、濕度、光照、甲醛等信息,然后獲取“Date”位的數(shù)據(jù)值,就成功的解析了該條數(shù)據(jù),比如“溫度,23℃”。因為不同的傳感器采集的室內(nèi)環(huán)境的參數(shù)不同,也就是采集的信息不同,所以為了區(qū)分信息的類型,我們將不同的傳感器類型賦予不同的值,比如溫濕度信息的SensorType=01,二氧化碳濃度信息的SensorType=02,光照強度信息的SensorType=03,甲醛信息的SensorType=04,PM2.5濃度信息的SensorType=05。以網(wǎng)關(guān)上傳的溫度信息為例,數(shù)據(jù)幀如下表5.2所示:表5.2網(wǎng)關(guān)上傳溫度的數(shù)據(jù)幀(2)平臺下發(fā)命令編碼格式(如表5.3所示)表5.3控制命令下發(fā)數(shù)據(jù)協(xié)議當室內(nèi)環(huán)境參數(shù)超過設(shè)定值時,CPRS模塊會發(fā)送短信給用戶,用戶這時可以采取相應(yīng)的措施來控制家電設(shè)備的開關(guān)。用戶下發(fā)命令給網(wǎng)關(guān),再由網(wǎng)關(guān)通過指令控制家電設(shè)備的打開或者關(guān)閉。所以對于控制的設(shè)備類型和要操作的值(打開或者關(guān)閉)按照通訊協(xié)議組成一個數(shù)據(jù)幀發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過截取兩個Ox7e之間的數(shù)據(jù)來獲得一個數(shù)據(jù)幀,通過校驗位、數(shù)據(jù)長度位來判斷是否為正確數(shù)據(jù)幀。如果數(shù)據(jù)幀正常,將該數(shù)據(jù)幀進行轉(zhuǎn)化和處理,發(fā)送給下位機的響應(yīng)的家電設(shè)備控制器,控制器通過獲取“SensorType”值判斷該條數(shù)據(jù)是否屬于自己,如燈光控制器接受到數(shù)據(jù)后判斷出是控制燈光的指令后獲取“Date”位的數(shù)據(jù)值,判斷要做的具體操作是打開還是關(guān)閉,控制繼電器完成正確操作,最終實現(xiàn)用戶對家電設(shè)備的遠程控制。第5章系統(tǒng)測試與應(yīng)用5.1通信測試由于校園網(wǎng)是局域網(wǎng),如果CPRS通信模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器的話,該服務(wù)器必須具有公網(wǎng)IP。所以考慮到經(jīng)濟性,借助于內(nèi)網(wǎng)動態(tài)域名解析軟件,比如花生殼、nat123等等。該系統(tǒng)的通信測試中,選擇花生殼軟件,由于軟件從下載安裝到設(shè)置較簡單,所以就不再復(fù)述整個過程。采用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手來進行通信測試,如圖6.1所示,當連接成功后,就可以接受來自Web平臺發(fā)送的數(shù)據(jù)。圖6.1通信測試5.2硬件平臺測試對于

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