基于物联网的大气颗粒检测系统毕业设计 精品.docx

基于物联网的大气颗粒检测系统毕业设计 精品.docx

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1．本课述题所涉及的问题及应用现状综述

随着我国经济的快速发展，人民生活水平现在已经提高到一个相对让人满意的地步。

但是，以损耗自然资源为代价换取经济发展的结果，也逐渐的暴露出来。

尤其去年北京等地连续的阴霾天气，尤为明显。

因此，在此基础上的大气颗粒检测就显得尤其重要。

在空气中的大气颗粒变化后，我们希望有一种有效的方式去检测它的变化，并且将大气颗粒的浓度显示出来，以便于提醒人们出行。

大气环境检测是所有大气环境工作的物质基础,不论是进行大气环境质量监测、大气污染防治,还是进行大气环境科学及工程的研究,都必须是在科学、准确测定大气环境参数的基础上进行,离开了准确的检测,其他的大气环境方面的所有工作都成了无稽之谈,因此,大气环境检测技术也随着大气环境科学与工程的发展而得到了迅速发展。

大气中悬浮颗粒物的存在,会对环境产生严重影响,因此,大气颗粒物一直是大气环境研究中最前沿领域之一。

大气颗粒物浓度是评价大气颗粒物的重要指标之一,颗粒物浓度的检（监）测一直受到环境工作者的重视。

物联网，又称为传感网，是互联网从人向物的延伸，是指在真实物理世界中部署具有一定感知能力和信息处理能力的嵌入式芯片和软件系统，通过网络设施实现信息传输和实时处理，从而实现物与物物与人之间的通信从技术的角度来看，物联网是在计算机互联网基础上利用射频识别无线数据通信等技术，将射频识别设备红外感应器全球定位系统激光扫描器等信息传感设施按约定的协议把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和数据通信，以实现智能化识别定位跟踪监测和管理的新一代网络技术。

在物联网中，各类终端设备被植入可进行编码、扫描、读写的微型感应芯片，而且将其接入高速互联网，使各类终端设备变得更加智能化，方便相关物品的自动识别、跟踪定位、远程遥控、信息共享资源管理等。

因此，物联网能够利用标签传感器无线通信网络等实时采集物品的各种信息，并将这些采集到的信息通过高速互联网或无线网络传输到信息处心，这些信息在信息处理中心经过云计算技术提供的海量信息处理功能对其进行智能化处理之后，就可以实现人与人物与物、人与物之间的有效沟通。

为了有效而快速的测定大气颗粒的变化情况，本文特此利用51单片机、传感器、无线收发模块等，将检测大气颗粒的方法与物联网结合起来，用以快速有效的检测大气颗粒的变化，并将其显示出来。

2．本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析

A.关键问题：

1.熟悉单片机；

2.设计硬件系统，实现对大气颗粒物的浓度进行测量、远传、显示；

3.通过单片机（ARM）和传感器实现对大气颗粒物进行测量‚并通过无线传输，在上位机上通过液晶或数码管将测得值显示出来

B.解决的思路：

通过网上搜索相关资料及其文献了解51单片机、传感器、无线通信模块的使用方法；熟悉点偏激的的组装原理，模块特点；查阅无线通信协议的相关书籍，掌握相关代码的编写；掌握模拟信号与数字信号相互装换的原理，方法；针对课题主要问题在老师的指导下形成课题具体论文报告，并不断完善论文。

C.可行性分析

1.熟悉51单片机，并尽量动手实现各个模块的功能；

2.掌握并运用无线传输相关知识，编程并调试。

3.逐步搭建起完整的系统，并不断的纠正其中的问题。

4..提升自己的自学能力，将所学理论运用到实践当中；

5.培养了独立开展研究的能力，掌握一定的学习方法。

对相关接收系统有一个科学的论证。

摘要

作为未来的发展趋势之一——物联网将在各个方面决定未来世界和人类社会的发展方向。

物联网的主要应用领域有：

电信业 、人口管理和个人生活领域（Independent Living）食品安全追溯领域 、媒体、娱乐和票务领域等。

物联网所涉及的技术领域极其广泛。

特别是其中有一些技术领域的研究是十分重要的。

另一方面，随着我国经济的发展，我国环境的恶化日益严重，尤其是去年，全国各大城市陆续出现雾霭天气，社会开始普遍关注环境变化。

尤其是空气的问题。

因此，在此基础上，可以实时的了解大气颗粒浓度的变化就格外的重要。

本次的毕业设计就是为解决这种需求而设计的。

本系统利用STC-89C52单片机、1602液晶显示屏，NRF24L01无线通信模块，数模转换模块组成。

分为两个模块，第一个模块是检测模块，能够实时的检测空气中大气颗粒的变化，并且发送给显示模块。

第二个模块是显示模块，能够接受到发过来的数据并且显示到液晶显示屏上。

建立后的系统是一个定点的实时检测大气颗粒的浓度的系统，供人们对空气的质量进行评估。

关键字：

物联网；大气颗粒检测；单片机

ABSTRACT

Asoneofthedevelopmenttrendofthefuture-ineveryaspectofthingswilldeterminethefutureoftheworldandthedirectionofdevelopmentofhumansociety.IOTmainapplicationareas:

telecommunications,populationmanagementandpersonalspheresoflife（IndependentLiving）fieldoffoodsafety,traceability,media,entertainmentandticketingfields.Thingstechnicalfieldcoveredanextremelywiderange.Asoneofthedevelopmenttrendofthefuture-ineveryaspectofthingswilldeterminethefutureoftheworldandthedirectionofdevelopmentofhumansociety.Inparticularsomeofthetechnicalfieldofresearchisveryimportant.Ontheotherhand,asChina'seconomicdevelopment,China'senvironmentaldegradationisworsening,especiallylastyear,themajorcities,emerginghazeweather,changesinsocietygenerallybegintoconcernfortheenvironment.Especiallyairissue.Thus,onthisbasis,real-timeunderstandingofthechangesintheconcentrationofairborneparticlesisparticularlyimportant.Thegraduationprojectistoaddressthisneedanddesign.

ThesystemusesSTC-89C52micro-controller,1602LCDscreen,NRF24L01wirelesscommunicationmodule,digitaltoanalogconversionmodule.Isdividedintotwomodules,thefirstmoduleisthedetectionmodule,real-timedetectionofchangesinatmosphericparticlesintheair,andtothedisplaymodule.Thesecondmoduleisthedisplaymodule,abletoreceivedatasenttoanddisplayedontheLCDscreen.

Aftertheestablishmentofthesystemisafixed-pointreal-timedetectionofatmosphericparticulateconcentrationsystem,forpeopletoassessthequalityoftheair.

Keywords:

InternetofThings;Detectionofatmosphericparticles;ssSCM

1　绪论

1.1　什么是物联网

物联网是新一代信息技术的主要组成部分。

其英文名称是“TheInternetofthings”。

由此，顾名思义，“物联网就是物体和物体相连的互联网”。

这有两层意思：

第一，物联网的核心和基础仍旧还是互联网，但是它在互联网基础上进行了延生和扩展；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。

物联网的定义就是“物物相连的互联网”。

物联网利用智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合，被称为继计算机、互联网之后信息产业发展的又一次浪潮。

物联网是互联网在应用领域的拓展，与其单纯的物联网是网络，不如说物联网是应用与业务的结合。

因此，物联网发展的核心是应用创新，物联网发展的灵魂是以用户体验为核心的创新。

物联网（InternetofThings）是一种以互联网为基础、传统电信网等信息为承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现通信的网络。

它3个重要特征是普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化。

“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。

它的定义是：

通过射频识别技术、红外感应器、全球定位系统等信息传感设备，按照已定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。

物联网（InternetofThings）这个词，国内外普遍公认的是MITAuto-ID中心Ashton教授1999年在研究RFID时最早提出来的。

在2005年国际电信联盟（ITU）发布的同名报告中，物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于RFID技术的物联网。

1.1.1　物联网的十大基本功能为：

（1）在线监测：

这是物联网最基本的功能，物联网业务一般以集中监测为主、控制为辅。

（2）定位追溯：

一般基于传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等GPS（或其他卫星定位，如北斗）和无线通信技术，或只依赖于无线通信技术的定位，如基于移动基站的定位、RTLS等。

（3）报警联动：

主要提供事件报警和提示，有时还会提供基于工作流或规则引擎（Rule“sEngine）的联动功能。

（4）指挥调度：

基于时间排程和事件响应规则的指挥、调度和派遣功能。

（5）预案管理：

基于预先设定的规章或法规对事物产生的事件进行处置。

（6）安全隐私：

由于物联网所有权属性和隐私保护的重要性，物联网系统必须提供相应的安全保障机制。

（7）远程维保：

这是物联网技术能够提供或提升的服务，主要适用于企业产品售后联网服务。

（8）在线升级：

这是保证物联网系统本身能够正常运行的手段，也是企业产品售后自动服务的手段之一。

（9）领导桌面：

主要指Dashboard或BI个性化门户，经过多层过滤提炼的实时资讯，可供主管负责人实现对全局的”一目了然“.

（10）统计决策：

指的是基于对联网信息的数据挖掘和统计分析，提供决策支持和统计报表功能。

1.1.2　四项技术形态：

（1）RFID:

RFID是一种”使能“技术，它可以把常规的”物“Instrumented（IBM”3I“描述）变成和物联网的连接对象。

基于相关的EPC/UID和PNL/ONS技术还可作为整个物联网体系的”统一标识“参考技术。

（2）传感网：

WSN、OSN、BSN等技术是物联网的末端神经系统，主要解决”最后100米“连接问题，传感网末端一般是指比M2M末端更小的微型传感系统，如Mote.

（3）M2M:

侧重于移动终端的互联和集控管理，主要是Telco（通信营运商）的物联网业务领域，有MVNO（移动虚拟网络营运商）和MMO（M2M移动营运商）等业务模式。

（4）两化融合：

是指工业自动化和控制系统的信息化升级，工控、楼控等行业的企业是两化融合的主要推动力，也可包括智能电网等行业应用。

1.2　物联网的前景

物联网在国际上又称为传感网，据悉，这是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。

南京邮电大学校长、博士生导师杨震教授说，世界上的万事万物，小到手表、钥匙，大到汽车、楼房，只要嵌入一个微型感应芯片，把它变得智能化，这个物体就可以“自动开口说话”。

再借助无线网络技术，人们就可以和物体“对话”，物体和物体之间也能“交流”，这就是物联网。

“如果物联网再搭上互联网这个桥梁，在世界任何一个地方我们都可以即时获取万事万物的信息。

可以这么说，物联网加上互联网等于智慧地球。

”

物联网用途广泛，可运用于城市公共安全、工业安全生产、环境监控、智能交通、智能家居、公共卫生、健康监测等多个领域，让人们享受到更加安全轻松的生活。

举几个例子来说吧，从成都开车到重庆，上车后，只要设置好目的地便可随意睡觉、看电影，车载系统会通过路面接收到的信号智能行驶；不住在医院，只要通过一个小小的仪器，医生就能24小时监控病人的体温、血压、脉搏；下班了，只要用手机发出一个指令，家里的电饭煲就会自动加热做饭，空调开始降温……

这不是科幻电影中的场景，通过“物联网”的逐步实现和提升，每个人的生活都将向此靠拢。

所谓物联网，在中国也称为传感网，指的是将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。

　　具体来说，就是通过安装信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等，将所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。

电视、洗衣机、空调甚至自行车、门锁和血压计上都能使用。

　　专家预测10年内，物联网就可能大规模普及，将广泛运用于智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域，一个上万亿元规模的高科技市场就此诞生。

　　简单一点说，如果物联网顺利普及，就意味着几乎所有的电器、家居用品、汽车制造都急需更新换代。

　　在实际运用中，无锡传感网中心的传感器产品已经衍生出经济效应，据无锡媒体报道，上海浦东国际机场防入侵系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测。

多种传感手段组成一个协同系统后，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。

国家航总局正式发文要求，全国民用机场都要采用国产传感网防入侵系统。

　　产业要比互联网大30倍与其他概念不同，物联网最近开始红火的源头在于官方。

在工信部9月11日主办的一次会议上，相关负责人透露，我国传感网标准体系已形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准提案被采纳。

　　当时的市场上正沉浸于次新股的巨大魔力中，这条来自科技界的消息并没有得到足够的重视，或者说，根本没有机会出现在各大媒体的首页或头条，以引领信息产业新浪潮的王者姿态接受股民膜拜。

　　转机出现在9月14日于北京举行的中国通信业发展高层论坛上，中国移动总裁王建宙充满信心的基调表示，物联网商机无限，中国移动将以开放的姿态，与各方竭诚合作。

　　事实上，上个月24日，王建宙在访问台湾的途中，就曾高调提及“物联网”的概念，并表示将会邀请台湾生产RFID（射频识别装置）、传感器和条形码的厂商和中国移动合作。

　　更早的时候，是温家宝总理在8月9日视察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时发表的讲话，他说，“每一次大的危机，无论是经济危机，金融危机，它都会催生一些新的技术，而新技术的诞生也是使经济、特别是工业走出危机的一个巨大推动力。

”

　　有人预测，如果物联网全部构成，其产业要比互联网大30倍！

物联网将会成为下一个万亿元级的通信业务。

”

1.3　大气颗粒检测的必要性

雾霾天气导致道路管制、企业停工、机场关闭、港口停运，并使得市民的工作生活受到了很大影响。

不仅如此，在多地的医院，患上呼吸道疾病的病人在大幅增加，北京部分中小学的体育课甚至改在了室内进行。

这样的天气下，很多人希望空气净化器和品种繁多的口罩能带来一些帮助。

2011年，北京汽车保有量已经突破了500万辆，到2015年，突破700万辆；同样在2011年，我国机动车排放污染物相当于709艘“辽宁号”航母的状况，这一年中，我国火电占全部发电量的82.54%，几乎全是燃煤的发电。

根据北京大学公共卫生学院做的一个对比，如果环境水平与2010年比，没有明显改善的话，那么2012年，北京、上海、广州、西安这四座城市，因为PM2.5引发多种疾病造成的过早死的人数，将会达到8500多人，因此产生的经济损失会达到68亿人民币。

空气污染曾经在许多国家引起全国关注。

比如，1952年12月，英国首都发生骇人听闻的“伦敦烟雾事件”，四天时间死亡人数就达4000多人，两个月后，又有8000多人陆续丧生。

1956年，英国政府通过洁净空气法案，采取大规模改造城市居民的传统的炉灶，冬季集中供暖，在城市里设置无烟区，禁止烧煤，发电厂和重工业设施被迁到郊区等一系列措施，使城市大气污染程度降低了80%。

而在我国，PM2.5走进公众的视野只有一年左右的时间，2012年2月，国务院发布了新修订的环境空气质量标准，首次增加了PM2.5的监测。

随后，各地对于PM2.5的监测才进入正轨。

另据上海《第一财经日报》1月15日报道，《迈向环境可持续的未来——中华人民共和国国家环境分析》报告于14日发布，该报告由国内外环境领域专家组成的工作小组及来自亚洲开发银行的专业团队联合完成。

报告列举一个关键的事实是，中国最大的500个城市中，只有不到1%的城市，达到了世界卫生组织推荐的空气质量标准，但世界上污染最严重的10个城市却有7个在中国。

报告以悬浮颗粒物为例介绍，在中国，最显著的大气污染物是悬浮颗粒物（PM10）。

超过三分之一的监测城市悬浮颗粒物浓度超过Ⅱ级标准，比二氧化硫和二氧化氮浓度超标的城市比例高得多。

中国大部分地区的PM2.5浓度也很高，并成为严重的区域环境问题。

2　模块的介绍以及开发、烧录环境的介绍

2.1　STC89C52

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位MCU，有8K的系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有8位CPU和在系统可编程的Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供了高灵活度、超有效的性的解决方案。

具有以下标准配置：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，定时器，内置了4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的中断结构），全双工串行口。

另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

2.1.1　特性

（1）STC89C52RC单片机:

（2）8K字节程序存储空间；

（3）512字节数据存储空间；

（4）内带2K字节EEPROM存储空间;

（5）可直接使用串口下载；

（6）AT89S52单片机:

（7）8K字节程序存储空间；

（8）256字节数据存储空间；

（9）没有内带EEPROM存储空间;

2.1.2　参数

（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统80c51.。

（2）工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）

（3）工作频率动态范围：

0～40MHz，相当于普通80d51的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz

（4）用户应用程序空间为8K字节

（5）片上集成了512字节的RAM

（6）通用I/O口（32个），复位后为：

P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

（8）具有EEPROM功能

（9）共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2

（10）外部中断有4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

（11）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART

（12）工作温度的范围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）

2.1.3　引脚图

图2-1　STC89C52引脚图

2.1.4　实物图

图2-.2　STC89C52实物图

2.2　液晶1602显示屏

工业字符型液晶，能够同时显示16x2共32个字符。

（但是每一行定义的物理位置是20）

1602液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块（或者其他特殊字符，但需自己定义）。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）

市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。

2.2.1　拐角功能

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为接地

第2脚：

VCC接5V电源正极

第3脚：

V0为液晶显示器对比度的调整端，接正电源时对比度为最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个3.9KK的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选数据的寄存器、低电平0时选择指令的寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平（时进行写操作。

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端,高电平时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：

D0～D7为8位的双向数据端

第15～16脚：

背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

（蓝底）

2.2.2　特性

3.3V或5V工作电压，对比度可调

内含复位电路

提供各种控制命令,如：

清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能

有80字节显示数据存储器DDRAM

内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM

8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM

操作控制

1602液晶模块内部的字符存储器（CGROM）已经存储了160个不同的字符图形，这些字符有：

阿拉伯数字、英文字