多参数空气质量在线监测系统

摘要

地球上洁净的空气是人类生存的必要条件，空气可以通过自然沉降、降水、阳光中紫外线的照射等方式完成自我净化。如今全球经济发展迅速，工业废气、汽车尾气的排放量增加，城市空气污染逐渐加重。只有对空气质量进行监测，才能了解空气质量的状况，及时做出防治措施，同时为城市居民提供生活地区周边空气质量数据。
　　针对目前国家环保部官方网站以及各大空气质量查询平台所提供的数据存在地点不够准确、数据不够详细等问题，设计了多参数空气质量在线监测系统，弥补了上述不足，实现了精细化监测。系统利用多点分布的多个传感器采集数据，将无线传感器网络与LoRa通信技术和GPRS通信技术相结合，解决了多参数数据采集、无线数据传输等问题。论文主要工作如下:
　　首先，设计了多参数空气质量在线监测系统。分布在城市不同地区的传感器节点采集多项空气质量参数，包括温湿度、CO2、CO、SO2、NO2、PM2.5，多个传感器节点与一个网关节点组成星型无线传感器网络，通过LoRa通信技术进行相互通信，网关节点将各传感器节点的数据通过GPRS模块传输至服务器，可以通过客户端、手机端、Web端等多种方式查询监测数据。
　　其次，设计并实现了系统的硬件和软件部分。硬件电路部分包括了光纤气体传感器、PM2.5传感器检测空气参数的相关电路;传感器节点主控器MSP430的外围电路，LoRa通信模块SX1276的接收和发射电路;网关节点主控器STM32外围电路以及与GPRS模块SIM900A相连的串口电路。软件部分包括传感器节点数据采集，网关节点与传感器节点之间通信，网关节点数据传输与报警，以及上位机查询软件的设计。
　　最后，实现多参数空气质量在线监测系统并测试。按照设计要求在校内搭建了测试系统，并对系统采集数据进行分析，对光纤气体传感器进行校准，对组网通信进行测试最大程度保证通信的质量与距离。通过测试表明系统可以长时间稳定运行，可实现多参数采集，远距离传输，可以应用于城市空气质量监测、产生易燃易爆气体工厂的监控等。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 空气质量监测的重要性

1．1．2 智慧城市的建设

1．2 空气质量监测系统的国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文的主要内容与章节安排

1．4 本章小结

第二章 系统总体设计及相关技术概述

2．1 系统概述

2．1．1 系统功能描述

2．1．2 系统总体结构设计

2．2 无线传感器网络概述

2．2．1 无线传感器网络简介

2．2．2 无线传感器网络体系结构

2．2．3 无线传感器网络特点及应用

2．2．4 WSN面临的挑战

2．3 LoRa通信技术概述

2．3．1 LoRa概述

2．3．2 LoRa低功率广域网

2．3．3 LoRaWAN网络结构

2．3．4 LoRa数据包结构

2．3．5 唤醒方式

2．3．6 LoRa跳频

2．4 GPRS通信技术概述

2．4．1 GPRS网络简介

2．4．2 GPRS组网方案设计

2．5 本章小结

第三章 多参数空气质量在线监测系统硬件设计

3．1 光纤气体传感器的设计

3．1．1 气体分子的光谱吸收特性

3．1．2 比尔-朗伯(Beer-Lamber)定律

3．1．3 差分吸收技术

3．1．4 传感器结构设计

3．1．5 光源硬件电路设计

3．2 PM2．5传感器的设计

3．2．1 光散射法检测PM2．5原理

3．2．2 PM2．5传感器工作原理

3．3 传感器节点电路设计

3．3．1 MSP430简介及外围电路

3．3．2 SX1276简介及外围电路

3．4 网关节点电路设计

3．4．1 STM32简介及外围电路

3．4．2 GPRS模块及其外围电路

3．5 本章小结

第四章 多参数空气质量在线监测系统软件设计

4．1 传感器节点软件设计

4．1．1 传感器节点程序设计

4．1．2 采集模块程序设计

4．2 传感器节点与网关节点通信软件设计

4．2．1 无线通讯数据包解析

4．2．2 通信组网设计

4．2．3 传感器节点与网关节点的通信设计

4．3 网关节点软件设计

4．3．1 RT-Thread系统简介

4．3．2 网关节点程序设计

4．3．3 传感节点报文发送错误检测程序设计

4．3．4 SM$短信发送和接收程序设计

4．4 上位机软件设计

4．5 本章小结

第五章 系统测试及数据分析

5．1 多参数空气质量在线监测系统搭建

5．1．1 硬件设备的搭建

5．1．2 监测平台的搭建

5．2 系统数据采集及光纤气体传感器校正

5．2．1 数据采集分析

5．2．2 传感器数据分析和校正

5．3 通信组网测试

5．3．1 LoRa组网测试

5．3．2 传感器节点通信距离与穿透测试

5．3．3 节点丢包率测试和分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

图表目录

致谢

附录

攻读硕士学位期间科研情况

作者简历