基于Arduino空气质量检测器开发.doc
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2015网络工程学年设计
题目:
基于Arduino空气质量检测器开发
系别:
电子信息工程学院
班级:
2011级网络工程（物联网技术方向）
学号:
姓名:
指导教师:
起讫日期:
基于Android空气质量检测器开发
摘要:
空气环境（温度、湿度、污染物等）是人类生存的自然环境的重要组成部分,也是人类生存、发展的基本物质基础。
随着科学技术、生产条件、生活水平的改善和提高,建筑结构的封闭化室内办公人员的增加,IndoorAirQuality（IAQ）室内空气品质的研究吸引了越来越多人的关注。
人的一生有三分之二的时间在室内度过的。
本文为了便于设计和测量,选取了DHT11数字温湿度传感器和DSM501灰尘传感器（可按需要自由添加其他传感器）,研究设计了一种旨在实现室内空气温度、湿度、有害气体的监测的空气检测器系统。
其设计方案基于Arduino单片机,相关传感器来实现。
将传感器回路输出的信号经由Arduino单片机进行数据处理,由LCD1602点阵式液晶屏显示数值。
文中详细介绍了数据采集子系统、数据处理过程、数据显示子系统以及单片机与PC机通信的设计方法和过程。
关键词:
室内空气品质、DHT11数字温湿度传感器、DSM501灰尘传感器、Arduino单片机
目录
第一章绪论
（1）
1.1选题背景与意义
（1）
1.2与本课题相关的国内外研究状况
（2）
1.3主要研究内容（3）
第二章运行环境、硬件选取及技术简介（4）
2.1系统运行环境（4）
2.2系统开发环境（4）
2.3硬件选取（4）
2.3.1Arduino开发平台（4）
2.3.2传感器模块（5）
温湿度传感器模块（5）
粉尘传感器模块（12）
蓝牙模块（15）
液晶显示模块（16）
2.4技术简介（22）
2.4.1Arduino开发技术（22）
2.4.2Android开发技术（23）
2.4.3物联网技术（23）
第三章软件设计分析（25）
3.1编译语言的选择（25）
3.1.1Arduino语言（25）
3.1.2Android语言（25）
3.2软件功能需求（25）
3.3软件模块设计（26）
3.3.1主程序模块（26）
3.3.1液晶显示模块（29）
第四章系统总体设计（31）
4.1系统网络拓扑图（31）
4.2系统功能模块图设计（32）
第五章数据库设计（33）
5.1IAQ数据库表设计（33）
第六章仿真调试（34）
6.1系统硬件调试（34）
6.6.1常见的硬件故障（34）
6.6.1硬件调试方法（34）
6.2系统软件调试（36）
第七章总结（39）
7.1主要结论（39）
7.2展望（39）
参考文献（40）
第一章绪论
随着科学技术、生产条件、生活水平的改善和提高,建筑结构的封闭化室内办公人员的增加,IndoorAirQuality（IAQ）室内空气品质的研究吸引了越来越多人的关注。
美国科学家在80年代末的一项调查中发现,室内有害污染物浓度比室外高,有的甚至高达100倍。
我国有关部门在1994年的一次调查中也发现,城市室内空气的污染程度比室外严重,有的超过室外56倍。
据估计,人的一生平均90%的时间在室内度过,室内作为现代人类最主要的活动场所之一,其环境品质与人类健康息息相关。
由此造成的病态建筑综合症（SBS-SickBuildingSyndrome）:
现代都市病,包括头痛、恶心疲乏、失眠、记忆力衰退皮肤、粘膜有刺激感（眼红、流泪、咽干）呼吸紊乱等也越来越突出。
IAQ在健康方面的影响:
美国环保署（EPA）调查表明:
在美国,IAQ问题是有关全民健康的首要问题之一,受其影响的美国人口多达3000万,造成的经济损失超过了400亿美元/年,这些数字令人触目惊心;加拿大卫生组织调查表明:
68%的疾病与室内环境污染有关,其中80%~90%的癌症与居住环境和生活习惯有关;英国科学家汉密尔顿测验了220名英国人血液中60种化学元素的平均含量,发现其与地壳中这些元素的含量分布相当;湖南省相关部门对空气污染区及清洁区9-10岁儿童为调查对象,研究空气污染对儿童免疫力的影响,结果显示:
污染区儿童的免疫能力仅为清洁区儿童免疫能力的1/3;据统计,我国每年有11万人因IAQ不好而导致死亡;从我国“室内环境监测中心”对IAQ监测力度越来越大的趋势也可以看出,此问题在我国也是越来越严重。
IAQ在工作效率及社会经济方面的影响:
美国“职业安全及健康管理局”估计因室内环境质量恶劣而导致每个员工每天损失14-15分钟的工作时间,不仅损失了生产力,使成本上升,而且也导致医疗费用的增多影响整个社会的经济利益;美国的另一项调查得知由于IAQ恶劣而导致总经济成本的损失每年高达47-54亿美元（没有包括对建筑材料及各种器材的损失）;香港环保署的首份IAQ调查表明香港办公室和公共场所的IAQ不佳,造成医疗费、生产力和机电费的损失每年高达176亿元。
鉴于此,人们认识到解决IAQ问题的重要性与迫切性,同时IAQ问题已经成为建筑环境、医药卫生、智能监测、自动控制等研究领域所关心的问题。
1.1选题背景与意义
目前由于建筑材料品质不一、劣质燃料、抽烟、通风不良等原因,室内的空气状况往往不如室外,尽管大量的空调系统被应用到室内空间,但往往为了节能,减少自然通风了而利用回风,使IAQ进一步恶化,同时出现的舒适性空调仅着眼于热舒适,忽视了空气净化,从而导致了一些负面作用:
SBS（SickBuildingSyndrom）建筑物综合症、BRI（BuildingRolatedIlliness）建筑物关联症和MCS（MultipleChemicalSensitivity）化学物资过敏症等。
随着人们对IAQ认识程度的加深,以及健康保健知识的发展,人们不仅希望知道是什么污染物在作怪,更希望知道污染的浓度水平如何?
这种浓度会对健康造成什么短期和长期危害?
对存在的污染应该如何控制治理?
在这种情况下,设计开发一套空气质量监测系统是有现实意义的。
目前,对于室内环境监测具仪表已经有很多种,虽然此类仪表成本不是很高,监测速度较快,但是绝大数产品只是用来监测,不具备自动控制调节室内空气质量的能力。
实际上,单纯的监测不能提供经济可行的空气质量调节措施,因此只有以控制作为监测的后备支持,监测工作才可以更深入持久地开展下去,才能达到监测和控制的有机结合,尽快为人们创造良好的室内环境。
因此,本文基于量化监测,提出“空气质量检测器”系统,此系统旨在实现室内空气温度、湿度、有害气体的预警监测,为人类营造一个健康的室内生存空间。
1.2与本课题相关的国内外研究状况
气体传感器测定粉尘成为近年来粉尘检测研究的新热点。
早在1983年,压电类粉尘传感器就已问世。
这种传感器可以不需要对样品进行任何处理就可以测定,但易受水分子的影响而使晶体震动频率发生漂移,故基本无实用性。
为适应室内空气粉尘现场快速检测的要求,目前已开发出不少粉尘快速测定仪,这些仪器可直接在现场测定粉尘浓度,操作方便,适用于室内和公共场所空气中粉尘浓度的现场测定,也适用于环境测试舱法测定木质板材中的粉尘释放量。
但这些仪器的工作原理、响应性能、适应范围等都不同。
在测试粉尘等有害气体方面,国外比较出名的有:
美国ESC公司生产的Z一300粉尘检测仪、英国PPM公司生产的PPM-400粉尘检测仪;国内的有:
江苏安普电子工程有限公司生产的400型粉尘分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的粉尘测定仪抑一308等。
这些仪器可实现对有害气体的检测功能,适用于专业检测机构或实验研究机构。
准确测定粉尘、苯、氨等有害气体的设备昂贵（如英国PPM公司生产的PPM400粉尘仪约两万多元）,测定时间较长,每隔一段时间就需进行重新标定,需要专业人员进行操作,很难连续测定;目前国内外产品的设计差异主要集中在监测传感器和控制单片机芯片的选用,操作方面国外的产品操作界面方便,功能更加完备。
1.3主要研究内容
本课题主要集中在空气质量的监测、显示两个方面:
（1）确定监测对象
（2）室内空气品质监测仪的各个硬件模块的设计
（3）室内空气品质监测仪的各个软件模块的设计
（4）整个系统的仿真调试
（5）总结本文研究工作以及在研究方面存在的不足,提出了进一步研究的展望
第二章运行环境、硬件选取及技术简介
2.1系统运行环境
运行环境如表2-1所示。
表2-1运行环境
名称要求配置
操作系统WindowsXP/win7/win8
数据库服务器MySQL
Android系统Android2.3.3以上
开发平台Eclipse、ArduinoUNO开发平台
2.2系统开发环境
本系统是基于Arduino开发平台开发的。
系统中数据服务中心采用的数据库是MySQL。
系统主要以Eclipse为开发工具,运用Java、Android等技术进行开发,开发环境如表2-2所示
表2-2开发环境
分类名称版本语种开发平台Arduino1.5.6-r2中文
操作系统WindowsXP/win7/win8中文
编译器JavaDevelopmentKit（JDK）jdk1.7.0_07英文
数据库MySQL5.5英文Android客户端开发工具Eclipseeclipse-java-juno-SR1-win32英文
AndroidforGoogleAPIs
Android2.2.3以上英文AndroidOS
（GoogleInc）
2.3硬件选取
2.3.1Arduino开发平台
本系统是基于Arduino开发平台开发的。
实物图如图2-1所示。
图2-1ArduinoUNO
2.3.2传感器模块
温湿度传感器模块
温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。
温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。
鉴于测量温湿度的范围不大,精度要求不高故采用数字温湿度传感器DHT11。
具体实物图如图2-2所示:
图2-2DHT11数字温湿度传感器
具有的特性:
相对湿度和温度测量、全部校准,数字输出、卓越的长期稳定性、无需额外部件、超长的信号传输距离、超低能耗、4引脚安装、完全互换。
DHT11产品概述
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有
品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中,传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗,信号传输距离可达20米
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