《基于單片機的園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)》12000字

PAGEI基于單片機的園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)摘要環(huán)境監(jiān)控是環(huán)境維護和治理任務的重要基礎(chǔ)。隨著國民經(jīng)濟的不停的發(fā)展，現(xiàn)有的環(huán)境維護和治理效率不高、品質(zhì)較差、透明度低。經(jīng)過信息化技術(shù)的運用，能夠完成持續(xù)高效的環(huán)境監(jiān)控。環(huán)境自動監(jiān)控將成為環(huán)境監(jiān)控發(fā)展的新目標，環(huán)境事故的預警和預防尤為重要，園林環(huán)境自動監(jiān)控將成為景觀監(jiān)控發(fā)展的新方向。特別重要的是快速預警和預防由園林環(huán)境造成的污染事件。本文結(jié)合園林環(huán)境監(jiān)控的功能框架進行分析,采用以STM32為主控芯片控制整個系統(tǒng),結(jié)合藍牙模塊用手機實時查看監(jiān)控到的各項數(shù)據(jù),以及用溫度濕度傳感器監(jiān)控整個園林的溫度和濕度,當溫度濕度超出閾值會用聲光報警器進行報警、用土壤濕度傳感器監(jiān)控園林環(huán)境中土壤里的濕度,當濕度過低時水泵會自動工作,為土壤供水使土壤達到合適的濕度、最后使用煙霧濃度傳感器監(jiān)控園林的煙霧濃度,當煙霧濃度過高時,聲光報警器就會報警等進行設(shè)計。并且系統(tǒng)使用雙層架構(gòu),包括環(huán)境監(jiān)控的軟件和硬件部分,硬件部分通過溫濕度傳感器、煙霧濃度傳感器以及土壤濕度傳感器來實現(xiàn)對園林環(huán)境的監(jiān)控。軟件部分通過藍牙連接的手機軟件能夠?qū)崟r查看園林的環(huán)境信息,實現(xiàn)了對園林環(huán)境的監(jiān)控與無線傳輸。關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)控；STM32；報警；無線傳輸

目錄TOC\o"1-3"\h\u118761緒論 145731.1課題的目的意義 1321971.2環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1295681.3主要研究內(nèi)容 2118632系統(tǒng)方案的論證 3124552.1總體方案論述 4322852.2系統(tǒng)功能分析 4100282.3硬件模塊的設(shè)計方案 5223002.4軟件的設(shè)計方案 6265342.5本章小結(jié) 6122663系統(tǒng)硬件設(shè)計 763123.1總體設(shè)計思路 7195193.2系統(tǒng)的整體設(shè)計 742763.3處理器模塊 8275473.4傳感器模塊 9205483.5藍牙模塊 10142373.6聲光報警電路 1185173.7本章小結(jié) 1197624系統(tǒng)軟件設(shè)計 13120934.1軟件總體設(shè)計 13300294.2系統(tǒng)軟件總流程 13178304.3傳感器軟件設(shè)計 14227634.3.1溫濕度傳感器軟件的設(shè)計 1436724.3.2煙霧傳感器傳感器軟件的設(shè)計 16275974.3.3土壤濕度傳感器軟件的設(shè)計 17143164.4藍牙通信模塊設(shè)計 18197204.5報警程序 19277694.6手機應用軟件的設(shè)計 20205514.7本章小結(jié) 208115實驗結(jié)果論證分析 2185885.1硬件調(diào)試 21275065.1.1檢查電路 2117685.1.2通電觀察 2144045.2軟件調(diào)試 2238655.3系統(tǒng)的檢測結(jié)果測試 2349885.3.1聲光報警實驗 23201765.3.2實物演示 2315181總結(jié)與展望 2429341參考文獻 253527附錄 27PAGE341緒論1.1課題的目的意義隨著中國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展,國民生活水平越來越高，人們對園林環(huán)境的需求也越來越關(guān)注，在現(xiàn)代城市化生態(tài)建立的過程中，園林監(jiān)控在環(huán)境建立和維護的過程中的所起作用也越來越明顯。所謂的園林環(huán)境監(jiān)控就是通過科學手段，來為人們創(chuàng)造一個人與自然和諧相處的場所，形成人們與大自然和諧相處的狀態(tài)。隨著中國在網(wǎng)絡技術(shù)方面的發(fā)展，人們對園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的應用也不斷得到改善。特別是以計算機系統(tǒng)為基礎(chǔ)的方便快捷的環(huán)境監(jiān)控手段，促進環(huán)境監(jiān)控行業(yè)的發(fā)展，使得環(huán)境監(jiān)控是環(huán)境保護和治理的重要基礎(chǔ)。伴隨著中國國民經(jīng)濟的高效發(fā)展，既存的環(huán)境保護和管理效率不高，透明度低，通過應用信息技術(shù)，可以改變以往的環(huán)境監(jiān)控手段，利用新的通信網(wǎng)絡技術(shù)，創(chuàng)造長期穩(wěn)定的環(huán)境持續(xù)有效的污染源質(zhì)量和環(huán)境監(jiān)控，科學正確監(jiān)控和管理園內(nèi)環(huán)境狀況。環(huán)保部門有科學監(jiān)控新領(lǐng)域，在這種情況下，只使用視頻監(jiān)控不能完全滿足環(huán)境監(jiān)控要求；鑒于自動監(jiān)視站整合了環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)，大氣和水質(zhì)基于以往的視頻監(jiān)控，構(gòu)建綜合視覺監(jiān)視系統(tǒng)，構(gòu)建污染源和環(huán)境質(zhì)量的在線監(jiān)控系統(tǒng)對環(huán)境保護部門的決定和執(zhí)法部門進行具有特別重要意義的環(huán)境事故預警和預防。1.2環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)環(huán)境監(jiān)控現(xiàn)狀：“十二五”期間，環(huán)境監(jiān)控行業(yè)的快速發(fā)展主要是由于政策的大力支持。一是國家環(huán)境監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控五年計劃、生態(tài)環(huán)境監(jiān)控計劃、國家環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控計劃等多個環(huán)境監(jiān)控措施，十大航空政策的公布不僅釋放了水、空氣等領(lǐng)域的防污染需求隨著“十二五”規(guī)定的業(yè)績提升，中國環(huán)境監(jiān)控行業(yè)發(fā)展迅速。2017年，全國環(huán)保產(chǎn)業(yè)收入1.35萬億元，同比增長17.4%。2018年第一季度，全國環(huán)保產(chǎn)業(yè)營業(yè)收入約2790億元，我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)增長速度明顯高于國民經(jīng)濟增長速度，高于一般工業(yè)增長速度。中國的環(huán)境服務業(yè)從傳統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)、工程設(shè)計和施工到重視服務和環(huán)境的綜合性環(huán)保服務。第三方供應商的管理、環(huán)境績效、環(huán)境資金等服務業(yè)的快速發(fā)展，2017年環(huán)境服務業(yè)年營業(yè)收入7550億元，2018年第一季度，環(huán)境服務業(yè)營業(yè)收入1800億元左右。與環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)的其他行業(yè)一樣，環(huán)境監(jiān)控產(chǎn)業(yè)長期受市場控制，但在產(chǎn)業(yè)生命周期的現(xiàn)階段，作為環(huán)境監(jiān)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引擎政策正在實施。政府對環(huán)境監(jiān)控行業(yè)的要求已經(jīng)從“十一五”監(jiān)控網(wǎng)絡建設(shè)階段轉(zhuǎn)移到“十二五”污染源監(jiān)控階段。中國環(huán)境監(jiān)控行業(yè)迎來了“十一五”環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控的里程碑式發(fā)展機遇第十三個五年”期間，進一步加強了對環(huán)境監(jiān)控的支持?，F(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)控市場領(lǐng)域正在進一步擴大。上十條和水、氣、土三個環(huán)境管理部門順利登場，大大開拓了環(huán)境監(jiān)控的新市場領(lǐng)域。國家調(diào)整了環(huán)境質(zhì)量管理中央和地方關(guān)系的構(gòu)想，收回了環(huán)境質(zhì)量管理的權(quán)利，實施了國家評價和國家監(jiān)控的方式，加強了環(huán)境監(jiān)控，促進了第三方環(huán)境監(jiān)控的運營。環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的持續(xù)改善和市場化水平的提高，加速了環(huán)境監(jiān)控市場的發(fā)展，第三方供應商的運營和維護有了快速的發(fā)展。隨著對環(huán)境監(jiān)控產(chǎn)業(yè)的投資、對整個社會環(huán)境問題的關(guān)心、環(huán)境監(jiān)控站的增加和環(huán)境監(jiān)控技術(shù)的提高，“十三五”期間環(huán)境監(jiān)控產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)繁榮。據(jù)中投顧問產(chǎn)業(yè)研究中心預測，2020年環(huán)境監(jiān)控行業(yè)的市場規(guī)模將超過900億元，5年利率增長率約為20%。海外環(huán)境監(jiān)控現(xiàn)狀：2020年日本企業(yè)環(huán)境控制市場規(guī)模60億日元，2020年5210.07億日元，2015年世界環(huán)境監(jiān)控業(yè)務市場規(guī)模約5000億美元(5210.07億日元)，年平均增長15%，2020年水質(zhì)監(jiān)控比2015年增長13.9%大氣監(jiān)控比2015年增長23.8%，年平均增長3%。隨著亞洲和中南美洲工業(yè)化的發(fā)展，環(huán)境污染越來越嚴重。因此，日本和美國的環(huán)境控制產(chǎn)業(yè)處于商業(yè)輸出的過程中，擴大了環(huán)境分析技術(shù)和分析工具以及設(shè)備的出口。美國的環(huán)境分析等環(huán)境技術(shù)和設(shè)備的出口量在2~3年中位居世界首位。2020年，美國采用哈佛大學和BBN公司開發(fā)的citysense無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)對大氣狀況進行監(jiān)測，包括CO2濃度、大氣溫度、大氣濕度、風向、風速等環(huán)境數(shù)據(jù)。澳大利亞的詹姆斯庫克大學和墨爾本大學聯(lián)合開發(fā)了基于u-node和Imote2的GBR無線傳感器網(wǎng)絡應用系統(tǒng)，用于監(jiān)測澳大利亞東北沿海的氣溫、濕度、風速、海水溫度等參數(shù)；1.3主要研究內(nèi)容本文基于STM32和藍牙模塊在對園林的環(huán)境進行監(jiān)控。當園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控到溫濕度傳感器、煙霧濃度傳感器監(jiān)控的數(shù)據(jù)超出閾值，聲光報警器會自動報警。當土壤濕度傳感器監(jiān)控到的土壤的濕度低于設(shè)定閾值，水泵會直接給土壤供水使土壤濕度達到設(shè)定閾值范圍內(nèi)，而且工作人員可以通過手機連接藍牙對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。論文的主要內(nèi)容是用STM32作主控芯片,對園林環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。論文主要由六部分構(gòu)成:第一章介紹了為什么選擇這個題目和這個題目的意義、以及環(huán)境監(jiān)控在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及課題的主要研究內(nèi)容。第二章確定環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案的總體思路，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)于硬件模塊和軟件模塊使用的方案。對模塊使用的硬件進行選擇，根據(jù)硬件的優(yōu)缺點，選擇使用的硬件。第三章介紹了園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)使用的硬件設(shè)計。硬件設(shè)計主要使用STM32芯片作為主控芯片；土壤濕度、溫濕度、煙霧傳感器來監(jiān)控園林環(huán)境監(jiān)控的土壤濕度溫濕度和煙霧濃度的數(shù)據(jù)信息；聲光報警器是當監(jiān)控到的數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值時自動報警；水泵是當土壤濕度過低時自動為土壤供水達到一定的閾值范圍內(nèi)；藍牙模塊是通過藍牙連接手機實時監(jiān)控到的數(shù)據(jù)并可以手動控制水泵的開關(guān)，最后畫出硬件模塊的電路圖并對電路圖進行介紹。第四章介紹了系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計，其中包括溫濕度傳感器傳感器軟件、土壤濕度傳感器軟件、煙霧傳感器軟件、藍牙通信模塊、聲光報警程序、液晶顯示屏軟件以及手機app的設(shè)計，提供了設(shè)計代碼以及具體的系統(tǒng)流程圖。第五章介紹了調(diào)試過程的步驟，調(diào)試過程包括軟件、硬件調(diào)試步驟：軟件調(diào)試步驟是對園林里的溫濕度代碼、土壤濕度代碼、煙霧濃度代碼等進行檢測，檢測代碼是否運行正常；硬件調(diào)試步驟就是在單片機內(nèi)輸入代碼后傳感器是否運行正常，聲光報警器是否報警，最后檢驗整個園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要求是否符合，設(shè)計的所有功能是否全部實現(xiàn)。第六章對園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行總結(jié)并且對園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)未來的發(fā)展進行展望。

2系統(tǒng)方案的論證本章主要是園林環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計方案的論證，包括系統(tǒng)功能分析、選擇合適的硬件模塊、以及確定軟件的設(shè)計方案。2.1總體方案論述園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)選擇使用STM32單片機作為主要控制芯片，負責處理和控制核心單元。環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)使用溫濕度傳感器采集園林環(huán)境中的溫度和濕度信息和土壤濕度傳感器采集園林中土壤的濕度信息及煙霧濃度傳感器采集園林環(huán)境中的煙霧的濃度信息，將采集到的園林溫度濕度和土壤濕度、煙霧濃度這些重要信息經(jīng)過處理器傳遞給主控芯片，主控芯片將空氣成分信息通過藍牙發(fā)送到手機APP軟件進行處理，判斷是否超過了閾值，達到報警閾值時控制單元發(fā)出報警信號進行聲音和燈光報警，未達到限值時app將實時顯示各個模塊傳遞的信息?？傮w的框架圖如圖2-1所示。STM32F103STM32F103單片機聲光報警藍牙APP溫濕度傳感器煙霧濃度傳感器土壤濕度傳感器圖2-1總體框架圖2.2系統(tǒng)功能分析完成本論文所需要的對園林環(huán)境中的溫濕度、土壤濕度、煙霧濃度進行檢測，需要系統(tǒng)具有以下功能：(1)園林環(huán)境監(jiān)控該功能由DC土壤濕度傳感器監(jiān)控園林環(huán)境土壤中的濕度信息、MQ-2型煙霧傳感器監(jiān)控園林環(huán)境中煙霧的濃度信息、DHT11型溫濕度傳感器監(jiān)控園林環(huán)境中溫濕度的信息來探測完成。(2)無線通信功能園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感器啟動后，會自動對園林環(huán)境進行監(jiān)控，監(jiān)控到的數(shù)據(jù)提交到控制器，然后處理控制器的數(shù)據(jù)，處理器處理完數(shù)據(jù)，會利用無線通信模塊對監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭B接到的手機APP上，最后由手機APP在手機上顯示監(jiān)控到的各項數(shù)據(jù)。(3)聲光報警功能每個傳感器啟動前都會設(shè)定閾值的范圍，啟動后傳感器就會自動檢測，當傳感器監(jiān)控到的數(shù)據(jù)超出閾值范圍，聲光報警器就會立即進行報警。本系統(tǒng)主要監(jiān)控園林中的環(huán)境信息，包括園林中的溫度和濕度、園林環(huán)境中煙霧的濃度和園林土壤中的土壤濕度。溫度和濕度是參觀人員們最直接可以感受到的參數(shù)，人的體熱感覺并不單純受溫度的影響，而是受多種因素共同影響，濕度和溫度是影響身體舒適度的重要要素。當濕度超過80%RH時，會影響人們身體溫度的調(diào)節(jié)。溫度過高、濕度過高等都可能身體不適。而且溫度和濕度的數(shù)據(jù)變化還可以檢測高溫、下雨等情況的發(fā)生，是應用最多的環(huán)境監(jiān)控參數(shù)。土壤濕度信息的監(jiān)控是園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，土壤濕度過低會對植物生長造成損害。在園林環(huán)境監(jiān)控的高危情形中，最危險的情況之一就是火災，所以，對溫度進行實時監(jiān)控是一個園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中不可或缺的一步，對園林中煙霧濃度的監(jiān)控也是一種常見的監(jiān)控方式。因此本課題使用溫濕度傳感器和煙霧濃度傳感器對園林提前監(jiān)控，提高了以園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實用性。STM32將監(jiān)控到的溫度、濕度、土壤濕度和煙霧濃度的數(shù)據(jù)通過藍牙無線傳輸方式實時傳輸?shù)绞謾CAPP上。當手機APP接收到這些數(shù)據(jù)時，在手機APP實時監(jiān)控數(shù)據(jù)變化。當監(jiān)控到的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時，聲光報警模塊會自動進行報警。下表2-1為聲光報警閾值。表2-1聲光報警閾值溫度℃濕度%rh煙霧濃度%obs/m土壤濕度%rh358050202.3硬件模塊的設(shè)計方案硬件模塊由STM32單片機作為主控芯片來控制整個系統(tǒng)、溫濕度傳感器監(jiān)控園林環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)、水分檢測耐腐蝕探頭傳感器監(jiān)控園林中土壤的濕度、煙霧傳感器監(jiān)控園林環(huán)境的煙霧濃度以及藍牙無線傳輸模塊傳輸監(jiān)控到的數(shù)據(jù)、聲光報警模塊當監(jiān)控到的數(shù)據(jù)超過一定閾值時報警等組成，下面將綜合各類模塊的優(yōu)缺點進行選擇。1、主控芯片的選擇ARM:arm微處理器采用精簡指令集，運算速度很高，有較低運行功耗，并且采用哈佛體系結(jié)構(gòu)。ARM會將數(shù)據(jù)和指令分開存儲，大大提高了程序的運行速度，并且ARM的外部設(shè)備功能也非常的豐富，模塊也很豐富，在雜亂的工業(yè)環(huán)境中也適用，可以進行功能控制。系統(tǒng)采用是STM32單片機做為主要控制芯片，STM32單片機芯片的內(nèi)存大，運行穩(wěn)定，并且具有很多外設(shè)接口，并且使用時具有更好的效率和更低的功耗，和上一代產(chǎn)品相比，其運行和訪問速度提升明顯，選擇STM32作為環(huán)境監(jiān)控的只要控制部分。圖2-2STM32芯片2、傳感器的選擇(1)溫濕度傳感器溫濕度傳感器選擇過程中，需要考慮傳感器的工作壽命和供電電壓等多方面因素，DHT11的優(yōu)點有很多如使用壽命很長、而且價格低廉。所以最終確定選擇DHT11傳感器作為該系統(tǒng)使用的溫濕度傳感器。圖2-3DHT11傳感器(2)煙霧濃度傳感器MQ-2煙霧傳感器的外型結(jié)構(gòu)是由微型陶瓷管，二氧化錫敏感層和加熱器構(gòu)成。安裝方便、靈敏度高、耐腐蝕并且響應快，適用于監(jiān)控環(huán)境中煙霧的濃度。煙霧傳感器的工作電壓是在直流5V到30V之間，靜態(tài)電流是20mA、動態(tài)電流是50mA。圖2-4MQ-2傳感器3、無線通信模塊的選擇藍牙技術(shù)藍牙選擇使用HC-02，因為可以與沒有藍牙功能的臺式電腦配對使用、與筆記本電腦配對使用、與手機配對使用、與藍牙主機連接使用，而且還有主機記憶功能，藍牙具有價格優(yōu)惠、性能穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點。圖2-5HC-02藍牙2.4軟件的設(shè)計方案本課題采用Keilforarm作為園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計開發(fā)平臺，該項目開發(fā)環(huán)境由美國keilsoftware公司引入,為客戶提供了一種集成化的開發(fā)環(huán)境,包括c編譯器、宏匯編、連接器、倉庫管理及仿真調(diào)試。keil能夠?qū)崿F(xiàn)對編輯、翻譯、連線、調(diào)試、仿真的全過程。與其他arm開發(fā)環(huán)境相比，Keil開發(fā)環(huán)境操作簡單、界面簡潔、代碼緊湊。2.5本章小結(jié)本章介紹環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案的總體思路，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)于硬件模塊和軟件模塊使用的方案。對模塊使用的硬件進行選擇，根據(jù)硬件的優(yōu)缺點，選擇使用的硬件。首先分析系統(tǒng)的主要功能確定要設(shè)計的具體要求，根據(jù)溫濕度、煙霧濃度和土壤濕度確定系統(tǒng)要監(jiān)控的環(huán)境參數(shù)。對園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件進行設(shè)計，確定主控芯片、傳感器和無線模塊的器件，并對園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)使用開發(fā)環(huán)境進行選擇。結(jié)合本課題的分析，選用HC-02作為藍牙通信模塊，STM32單片機作為主控芯片控制整個系統(tǒng)，MQ-2作為煙霧傳感器監(jiān)控園林環(huán)境中的煙霧濃度，DC土壤濕度傳感器監(jiān)控園林土壤的濕度，DHT11作為溫濕度傳感器監(jiān)測環(huán)境的溫濕度。并且確定園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境采用Keil5。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計本章主要論述了園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的硬件模塊，并且詳細的介紹了論文各個模塊的主要功能。3.1硬件總體設(shè)計思路園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計主要實現(xiàn)的是對園林環(huán)境信息進行采集，使用溫濕度傳感器采集園林環(huán)境的溫濕度，使用土壤濕度傳感器采集園林土壤中的濕度信息，使用煙霧傳感器采集園林環(huán)境中煙霧的濃度，然后通過藍牙無線傳輸?shù)绞謾C軟件上實時顯示采集到的數(shù)據(jù)變化。3.2系統(tǒng)的整體設(shè)計本研究使用STM32為主控芯片控制整個系統(tǒng)，控制溫濕度采集模塊、土壤濕度采集模塊、煙霧濃度采集模塊進行信息采集，通過無線傳輸傳輸數(shù)據(jù)到手機軟件實時監(jiān)控園林環(huán)境，采集信息超過閾值聲光報警模塊會自動報警，最后實現(xiàn)園林環(huán)境監(jiān)控的功能。電源電源溫濕度采集模塊STM32溫濕度采集模塊STM32單片機主控芯片軟件模塊軟件模塊土壤濕度采集模塊土壤濕度采集模塊聲光報警模塊聲光報警模塊煙霧濃度采集模塊煙霧濃度采集模塊無線傳輸模塊無線傳輸模塊圖3-1系統(tǒng)原理框圖園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的供電電壓為5V，在供電之后，從藍牙連接到手機軟件后。手機軟件實時顯示傳感器監(jiān)控環(huán)境下當前的土壤濕度及溫度濕度、煙霧濃度的數(shù)據(jù)。當顯示出采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的安全閾值時使用聲光報警器進行聲光報警。以下為部分模塊的功能：1、數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊由土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器和煙霧濃度傳感器組成。數(shù)據(jù)采集模塊采集土壤濕度、溫度、煙霧濃度和濕度的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成液晶屏上顯示的數(shù)據(jù)。其中，土壤濕度選用土壤濕度傳感器，當其閾值低于20%RH時聲光報警器報警。采用MQ-2型傳感器測量煙霧濃度，DHT11傳感器用于溫度和濕度的測量。2、聲光報警模塊：當模擬園林環(huán)境監(jiān)控值超過設(shè)定安全閾值后，聲光報警器會自動報警，所以本系統(tǒng)選用有源蜂鳴器。3、無線傳輸模塊：無線傳輸模塊由藍牙構(gòu)成，本環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)選用HC-02型號藍牙。能夠講單片機采集到的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)發(fā)送給手機軟件，由手機軟件實時監(jiān)控園林環(huán)境中的各項數(shù)據(jù)。3.3處理器模塊1、處理器介紹(1)本系統(tǒng)使用STM32作為嵌入式微控制器芯片的主控芯片控制整個系統(tǒng)，這是常用的微處理器。圖3-1主控芯片STM32(2)STM32是32位處理器產(chǎn)品。因為STM32內(nèi)存比較小，所以下載方式可以采用串口下載方式，也可以使SWD下載，并且STM32只有很低的功耗。2、電源模塊電路設(shè)計本系統(tǒng)的供電電壓為5V，連接到STM32的5V引腳。STM32將5V電源調(diào)節(jié)到3.3V是使用電壓調(diào)節(jié)芯片完成，然后從STM32引腳輸出。各個模塊的電壓為3.3V。電壓調(diào)解芯片使用AMS1117。相比于其他芯片，AMS1117的性能要求滿足字體使用要求，而且價格較低。輸入電壓5V經(jīng)過E16、C30濾波，輸入AMS111芯片中，再經(jīng)過E17、C42再次濾波后，輸出直流電壓3.3V，為整個園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)供電。如圖3-2所示。圖3-2電源電路圖3.4傳感器模塊1、溫濕度傳感器本論文中對于園林環(huán)境溫度與濕度的監(jiān)控采用了dht11,這種傳感器可以實現(xiàn)對于園林環(huán)境的溫度與濕度進行監(jiān)控。溫濕度傳感器共設(shè)置4個引腳,其中1號引腳vdd電源向正極輸出,供電電壓值為3.3v;2號引腳是一根單總線,是監(jiān)控到數(shù)據(jù)的輸出引腳，連接到STM32的PA1引腳;3號nc引腳為空腳,未被使用;4號引腳gnd為接地,電源正負極。溫濕度傳感器dht11具備兩個要素:測溫元件來監(jiān)視園林環(huán)境的溫濕度;采用電阻式濕度傳感器元件來監(jiān)視園林環(huán)境的濕度,將其連接到8位的單片機上。dht11的接口采取了單線串行模式,便于進行系統(tǒng)的集成。因為DHT11是數(shù)字傳感器，所以如果交互溫度和濕度，連接到單片機PL端即可。溫濕度傳感器的電路圖如圖3-3所示。圖3-3溫濕度傳感器電路2、煙霧傳感器MQ-2型傳感器四個引腳，ao-模擬信號的輸出引腳與一個2k電阻相接,連接在單片機上的pa3引腳上,把被檢測的模擬信號送回單片機;d0為數(shù)字信號的輸出,無法使用;gnd接地,是電源的負極;vcc是電源的正極,為傳感器供電。MQ-2的優(yōu)點有較高的靈敏度、響應速度也很快、有很高的穩(wěn)定性。煙霧傳感器電路的具體連接方式如圖3-4所示。圖3-4煙霧傳感器電路3、土壤濕度傳感器土壤濕度傳感器監(jiān)測土壤中的水分，從A0輸出引腳輸出的模擬信號傳輸?shù)絾纹瑱C的PA4引腳，然后將傳輸?shù)絾纹瑱C的模擬信號經(jīng)過單片機的處理輸出數(shù)字信號到液晶屏中顯示出來。監(jiān)測到的數(shù)據(jù)會設(shè)定一個安全閾值，如果土壤里濕度低于閾值，則通過水泵會給土壤供水，使土壤達到合適的濕度。土壤濕度傳感器電路的具體連接方式如圖3-5所示，當土壤濕度過低時用水泵為土壤供水的具體連接方式如圖3-6所示。圖3-5土壤濕度傳感器電路圖3-6供水模塊電路3.5藍牙模塊因園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的無線通信方式采用的是藍牙無線通信方式，故STM32單片機和手機軟件必須配備藍牙。隨著使用藍牙無線傳輸?shù)能浖絹碓蕉?，市場?guī)模在手機、電腦等設(shè)備中占據(jù)大量市場。并且藍牙的價格便宜，開發(fā)簡單。藍牙電路的具體實現(xiàn)方式如圖3-7所示。圖3-7藍牙電路引腳連接圖3.6聲光報警電路聲光報警器在園林環(huán)境中溫濕度和煙霧濃度超出安全閾值范圍內(nèi)都會報警，聲光報警器通過一個三極管和一個1K的電阻連接到單片機的PB1引腳。當收集到的數(shù)據(jù)超過閾值時，就會輸入到聲光報警器中進行報警。聲光報警模塊的電路連接方式如圖3-8所示。圖3-8聲光報警模塊電路引腳連接圖3.7本章小結(jié)第三章介紹了園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)使用的硬件設(shè)計。首先使用STM32芯片作為主控芯片；土壤濕度、溫濕度、煙霧傳感器來監(jiān)控園林環(huán)境監(jiān)控的土壤濕度溫濕度和煙霧濃度的數(shù)據(jù)信息；聲光報警器是當監(jiān)控到的數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值時自動報警；水泵是當土壤濕度過低時自動為土壤供水達到一定的閾值范圍內(nèi)；藍牙模塊是通過藍牙連接手機實時監(jiān)控到的數(shù)據(jù)并可以手動控制水泵的開關(guān)，最后畫出硬件模塊的電路原理圖，完成對系統(tǒng)硬件的設(shè)計。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計本章論述了園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計，對使用的開發(fā)環(huán)境進行介紹，而且對各個模塊的軟件代碼進行編譯，包括硬件模塊和軟件模塊的程序設(shè)計。4.1軟件總體設(shè)計本文采用的集成開發(fā)環(huán)境為keilforarm，傳感器監(jiān)測到的模擬信號傳輸?shù)絾纹瑱C，然后在單片機中編寫代碼。單片機會將采集到模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號和代碼中的安全閾值進行比較，通過循環(huán)函數(shù)一直比較，當采集到的數(shù)據(jù)超出安全閾值時，聲光報警器自動報警。通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)绞謾C軟件中，二維可以手動控制水泵的開關(guān)。4.2系統(tǒng)軟件總流程系統(tǒng)主流程圖：在園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的主要流程中，啟動設(shè)備后首先先進行初始化，然后將采集到的的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換成的數(shù)據(jù)通過藍牙模塊發(fā)送到手機軟件中實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的變化，同時循環(huán)比較監(jiān)控到的傳感器的數(shù)據(jù)和設(shè)定的安全閾值的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)比較一直沒有超出安全閾值時會一直循環(huán)，直到比較的數(shù)據(jù)超出設(shè)定的安全閾值時聲光報警器會自動進行報警。本設(shè)計的初始化程序如下：while(DHT11_Init()) //DHT11初始化 { LEDR=1; } while(1) { if(Res==0x01)//開水泵指令 { shuibeng=1; Res=0; } if(Res==0x02)//關(guān)水泵指令 { shuibeng=0; Res=0; } adc2=Get_Adc2_Average(ADC_Channel_4,10);//讀10次求和取平均 TUSOUT=(float)adc2*(3.3/4096);//得到實際的土壤濕度傳感器輸出的電壓值(包含小數(shù)) TU=(3.22-TUSOUT)/2.92;//得到實際的土壤濕度百分比(0,3.22V)(1,0.3V) TU=TU*100;//擴大100倍 adc3=Get_Adc3_Average(ADC_Channel_3,10);//讀10次求和取平均 MQOUT=(float)adc3*(3.3/4096);//得到實際的煙霧傳感器輸出的電壓值(包含小數(shù)) MQ=0.87*MQOUT;//MQOUT2.6V時為百分百 MQ=MQ*100;//擴大100倍 DHT11_Read_Data(&temperature,&humidity); //讀取溫濕度值 TU2=(int)TU;//強制轉(zhuǎn)換為整型 MQ2=(int)MQ;//強制轉(zhuǎn)換為整型開始檢測數(shù)據(jù)是否存在異常聲光報警手機軟件顯示數(shù)據(jù)開始檢測數(shù)據(jù)是否存在異常聲光報警手機軟件顯示數(shù)據(jù)初始化結(jié)束Y解析數(shù)據(jù)Napp解析數(shù)據(jù)藍牙發(fā)送數(shù)據(jù)4.3傳感器軟件設(shè)計4.3.1溫濕度傳感器軟件的設(shè)計監(jiān)測溫濕度時選擇DHT11。給設(shè)備通電后，先進行初始化，然后比較數(shù)據(jù)是否超出安全閾值，如沒有超出閾值繼續(xù)進行檢測，如超出閾值則產(chǎn)生報警信號，傳輸開始主控芯片判斷是否超過閾值開始主控芯片判斷是否超過閾值產(chǎn)生報警信號LED燈閃爍蜂鳴器蜂鳴初始化結(jié)束YN傳感器檢測溫度濕度圖4-2溫度濕度傳感器流程圖4.3.2煙霧濃度傳感器傳感器軟件的設(shè)計MQ-2型煙霧濃度傳感器的原理相對簡單，使用比較電路輸出數(shù)字信號，傳感器的TTL電平輸出引腳輸出污染物濃度低于閾值的高度，以及污染物濃度超過閾值的高度。將電平變化檢測到后，發(fā)現(xiàn)輸出很低。沒有檢測到輸出，監(jiān)控起來非常方便。煙霧監(jiān)控流程圖如下：以下為監(jiān)測煙霧濃度的軟件程序：u8IIC_Wait_Ack(void){ u8ucErrTime=0; SDA_IN();//SDA設(shè)置為輸入 IIC_SDA=1;delay_us(1); IIC_SCL=1;delay_us(1); while(READ_SDA) { ucErrTime++; if(ucErrTime>250) { IIC_Stop(); return1; } } IIC_SCL=0;//時鐘輸出0 return0;開始主控芯片判斷是否超過閾值開始主控芯片判斷是否超過閾值產(chǎn)生報警信號LED燈閃爍蜂鳴器蜂鳴初始化結(jié)束YN煙霧傳感器檢測圖4-3煙霧濃度傳感器流程圖4.3.3土壤濕度傳感器軟件的設(shè)計監(jiān)控土壤濕度的土壤濕度傳感器原理非常簡單。當監(jiān)控到土壤的濕度低于設(shè)定的閾值20%時，聲光報警器就會報警，同時水泵會自動給土壤供水，在土壤的濕度在達到的范圍內(nèi)時停止供水。土壤濕度傳感器的流程圖如下：開始主控芯片判斷是否超過閾值產(chǎn)生報警信號L開始主控芯片判斷是否超過閾值產(chǎn)生報警信號LED燈閃爍蜂鳴器蜂鳴初始化結(jié)束YN土壤濕度傳感器檢測以下為監(jiān)測土壤濕度的軟件程序：u8AT24CXX_ReadOneByte(u16ReadAddr){ u8temp=0; IIC_Start(); if(EE_TYPE>AT24C16) { IIC_Send_Byte(0XA0); //發(fā)送寫命令 IIC_Wait_Ack(); IIC_Send_Byte(ReadAddr>>8);//發(fā)送高地址 IIC_Wait_Ack(); }elseIIC_Send_Byte(0XA0+((ReadAddr/256)<<1));//發(fā)送器件地址0XA0,寫數(shù)據(jù) IIC_Wait_Ack();IIC_Send_Byte(ReadAddr%256);//發(fā)送低地址 IIC_Wait_Ack(); IIC_Start(); IIC_Send_Byte(0XA1);//進入接收模式 IIC_Wait_Ack(); temp=IIC_Read_Byte(0); IIC_Stop();//產(chǎn)生一個停止條件 returntemp;}4.4藍牙通信模塊設(shè)計采用HC-02模塊作為無線系統(tǒng)模塊，該模塊系統(tǒng)是一個小型系統(tǒng)，具有運行速度快、傳輸速度快、解碼速度快的優(yōu)點，而且系統(tǒng)是開源的，實際上節(jié)省了工作時間。該圖通過藍牙實現(xiàn)應用程序與單片機模塊之間的通信，并通過手機顯示花園的詳細數(shù)據(jù)，因此藍牙模塊是應用程序與單片機模塊之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。藍牙部分是應用程序終端連接的集線器。移動終端應用程序控制由MCU提供的數(shù)據(jù)。如果有超過閾值的信息，操作員應立即通知工作人員。藍牙模塊的流程圖如圖4-5所示開始藍牙模塊系統(tǒng)初始化結(jié)束傳感器檢測開始藍牙模塊系統(tǒng)初始化結(jié)束傳感器檢測主控芯片4.5報警程序當園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)井下的煙霧濃度超過50%，溫度超過35℃，濕度超過80，土壤濕度低于20%時，單片機附帶的聲光報警會被觸發(fā)，工作人員可分別對土壤濕度和煙霧濃度傳感器后方的LED燈判斷，哪個數(shù)值超標，并通過應用軟件觀察具體數(shù)值變化情況。聲光報警程序具體流程圖如下圖所示：Stm32初始化Stm32初始化主控芯片主控芯片判決結(jié)果是否正常Y是Y是NN紅燈閃爍紅燈閃爍蜂鳴器蜂鳴任務掛起任務掛起圖4-6聲光報警流程圖4.6手機應用軟件的設(shè)計移動智能客戶端應用程序采用HTML編程語言編寫，比Java編程語言簡單、方便，并且HTML語言具有較強的文本文檔生成能力，能夠支持不同類型的數(shù)據(jù)文件插入。它的重要功能是：第一，方便性：機器語言版本的更新采用超集方法，使使用更容易理解；第二，通用性：隨著語言的發(fā)展，參與應用logo的用戶越來越多，兼容性：即使不同類型的計算機，甚至不同的系統(tǒng)，也可以應用在不同的平臺上，對于不同類型屏幕的兼容性問題；最后，適用性：HTML作為一種方便適用的完整標記語言。同時，開發(fā)的界面也能被網(wǎng)絡上的其他人看到，無論他們使用哪種終端。4.7本章小結(jié)本章是對基于STM32F103RCT6的ARM內(nèi)核的軟件構(gòu)造進行了一系列的研究。只有理解函數(shù)和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，才能實現(xiàn)園林環(huán)境監(jiān)測和應用程序設(shè)計。本文選擇Keil軟件作為系統(tǒng)硬件程序，完成了各模塊的軟件設(shè)計。主要包括硬件模塊中收集模塊的軟件設(shè)計。包括土壤濕度、溫濕度、煙霧濃度模塊的收集。另外，設(shè)計了報警模塊，還設(shè)計了顯示信息的手機軟件接口。

5實驗結(jié)果論證分析對預規(guī)劃的性能進行測試的重要環(huán)節(jié)是調(diào)試，通過測試可以發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的設(shè)計錯誤，為進一步改進和完善設(shè)計提供思路。測試檢查它是否滿足用戶的實際需求，并評估其功能。5.1硬件調(diào)試5.1.1檢查電路將電路搭建好后將所有部件均焊接。電路設(shè)置好后，必須接通電源。一定要仔細觀察電路，觀察是否有焊接錯誤或電路錯誤，并根據(jù)配電盤進行檢查，有時光看電路圖是不夠的，如果稍有疏忽，就會出現(xiàn)接地是否反接、是否接錯、是否存在短路、短路、接觸不良、斷開連接等問題。圖5-1器件焊接圖5.1.2通電觀察在確認電路無故障并能正常工作后，要確定所需電壓和系統(tǒng)電源是否有問題，必須進行適當?shù)恼{(diào)試工作，首先接通電源，看是否有火花和煙霧，如果沒有，則進一步檢查各部件的溫度變化，如果沒有問題，則檢查完成，如果出現(xiàn)異常，應立即中斷電源，并用萬用表檢查各模塊的電壓，拆卸故障部件。圖5-2通電電路觀察5.2軟件調(diào)試軟件調(diào)試過程如下：軟件開發(fā)選擇使用的軟件開發(fā)環(huán)境是keilforarm。打開keil創(chuàng)建一個新的項目，打開項目后選擇本論文采用的STM32F10x芯片型號。2.創(chuàng)建項目，編寫主程序，調(diào)試程序，修改語句錯誤，解釋錯誤。下載到單片機運行程序。圖5-3軟件各個模塊代碼5.3系統(tǒng)的檢測結(jié)果測試5.3.1聲光報警實驗由于本設(shè)計基于STM32F103RCT6單片機，設(shè)計電路簡單易懂，功能齊全，使用方便，因此本文以不同煙霧濃度的環(huán)境為研究對象，因此，在不同的煙氣濃度環(huán)境下，聲報警模塊是否在設(shè)計報警時是檢驗系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要依據(jù)。圖5-4煙霧濃度超過閾值報警5.3.2實物演示打開本設(shè)計后，通過藍牙模塊與手機連接，將STM32處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C上。最后，手機應用程序用于顯示數(shù)據(jù)。本設(shè)計對不同的環(huán)境進行監(jiān)測，所監(jiān)測的數(shù)據(jù)也不盡相同，待檢測到樣品后，軟件將其顯示出來進行測試。圖5-5軟件檢測圖片

總結(jié)與展望本文運用STM32單片機、溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、煙霧傳感器以及藍牙無線網(wǎng)絡等設(shè)計了一套園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成了以下工作：1)分析了當前園林環(huán)境監(jiān)控的需求，提出園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可能需要監(jiān)控的各項參數(shù)，包括溫度、濕度、土壤濕度和煙霧等等。通過對園林環(huán)境監(jiān)控功能，確定園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用主從式電路設(shè)計，使用藍牙無線通信方式。2)完成了園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，使用STM32為主控芯片控制整個園林系統(tǒng)，對溫濕度傳感器監(jiān)測的溫度濕度，土壤濕度監(jiān)測到的土壤濕度信息，煙霧傳感器監(jiān)測到的煙霧濃度參數(shù)進行分析，然后傳輸給手機軟件，用手機軟件顯示出來。3)完成了對園林環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)對軟件部分的軟件編程，主要介紹軟件設(shè)計中的主函數(shù)，主函數(shù)里還包括溫濕度、煙霧、土壤濕度傳感器的軟件設(shè)計，最后介紹無線通信模塊的軟件程序。4)對整體園林環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)進行了測試和實驗,對本次設(shè)計中的各種傳感器進行了測試,對各種主從裝置的參數(shù)進行了比較,驗證各項功能都跟預期相一致,同時也進行了穩(wěn)定性檢查,結(jié)果顯示該系統(tǒng)已經(jīng)具有了很好的功能,并且已經(jīng)達到了很高的性能。監(jiān)控系統(tǒng)主要創(chuàng)新點如下：1)系統(tǒng)采用硬件加軟件結(jié)構(gòu)，根據(jù)單片機的不同功能特性進行單獨器材選型和電路設(shè)計，降低了成本的同時又降低了功耗。2)手機設(shè)備既可以與主機聯(lián)網(wǎng)進行工作，也可以單獨作為一個監(jiān)控設(shè)備，在不聯(lián)網(wǎng)的情況下獨立工作，增強了系統(tǒng)的可用性。3)系統(tǒng)設(shè)備間采用藍牙無線通信，無需布線，降低了安裝成本