基于物联网的空气质量监测系统设计与应用技术研究

摘要

空气是我们每个人赖以生存的自然资源，空气质量的好坏直接关系到人类的可持续发展。建立起系统完善的空气质量监测体系，使人民大众直观全面的了解当前空气质量，对于指导日常生产生活具有极其重要的意义。但是我国当前空气质量仍存在监测技术相对滞后、监测区域小、便携式监测与永久监测不匹配等缺点，无法满足人们日益增长的需求。本课题基于物联网技术、嵌入式技术和Android技术设计开发了一套具有单机和网络两种工作模式的空气质量监测系统，即可作为便携式的空气质量监测设备也可作为永久监测站点，并且可实现空气质量数据的统一管理和实时发布。
　　本空气质量监测系统主要包括硬件系统和软件系统两部分。硬件系统以32位嵌入式单片机STM32为控制核心，选用基于激光散射原理的高精度传感器模组和高精度定电位电解气体检测传感器完成对PM2.5、PM10以及SO2、CO、O3、NO2等六项空气质量指标的采集，采用具备AP+STA模式的WIFI模块完成与Android客户端和远程服务器的通信。在数据交互方面采用了UDP协议。在数据滤波方面，系统采用了限幅滤波、惯性滤波等多种数字滤波算法相结合的方式完成采样数据的初步分析与处理，在实际应用中取得了良好的效果。
　　软件系统包括远程服务器端、Android客户端和微信公众号三部分。远程服务器端采用了J2EE的设计架构，完成空气质量数据的统一管理以及与Android客户端和微信公众号的数据交互。另外在远程服务器端搭建了ArcGIS服务器为Android客户端和微信公众号提供地图服务。Android客户端有单机和网络两种工作模式。单机模式下直接与硬件系统完成数据交互，并完成实时数据和历史数据的显示与管理，另外系统采用自定义的文件格式存储空气质量数据，可实现数据的高速提取与解析。网络模式下移植了ArcGIS for Android和panoramaGL插件，实现地图标注以及三维实景浏览等功能。另外系统利用大数据技术分析用户日常活动范围，从而智能的为用户推送空气质量数据。微信公众号的开发方便了广大用户通过各种方式获取空气质量数据。在微信公众号端移植了ArcGIS forJavaScript插件提供地图服务，同时本公众号也支持数据查询、自动回复等功能。
　　最后系统集成测试表明:硬件系统与软件系统交互良好，系统各模块运行稳定，满足设计要求。

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 我国空气污染现状

1．1．2 空气污染对人体的危害

1．1．3 空气质量检测现状

1．1．4 课题研宄的意义

1．2 本文主要研究内容及结构安排

第二章 监测系统分析

2．1 系统总体设计

2．1．1 设计原则

2．1．2 系统总体功能架构

2．2 Java加密技术

2．3 数字滤波技术

2．3．1 程序判断滤波

2．3．2 加权算数平均值滤波

2．3．3 惯性滤波

2．3．4 本系统采用的滤波算法

2．4 基于物联网监测的分析技术

2．5 本章小结

第三章 硬件系统

3．1 硬件系统总体设计架构

3．2 核心控制单元

3．2．1 单片机简介

3．2．2 开发工具与调试工具

3．3 无线通讯单元

3．3．1 WIFI模块

3．3．2 通讯协议

3．4 空气质量监测单元

3．4．1 气体传感器

3．4．2 粉尘传感器

3．5 本章小结

第四章 软件系统

4．1 软件系统总体设计及主要技术实现

4．2 系统远程服务器设计

4．2．1 J2EE应用服务器及其配置

4．2．2 GIS服务

4．2．3 数据库

4．3 系统Android客户端设计

4．3．1 Android系统介绍

4．3．2 Android应用开发方式

4．3．3 系统Android客户端总体架构

4．4 单机模式下客户端功能设计

4．4．1 实时数据的显示与存储

4．4．2 历史数据的显示与导出

4．4．3 文件操作

4．4．4 系统状态指示

4．5 网络模式下客户端功能设计

4．5．1 ArcGIS for Android移植及应用

4．5．2 空气质量数据远程调取

4．5．3 PanoramaGL全景图

4．5．4 本地数据文件管理

4．5．5 消息推送

4．6 本章小结

第五章 基于微信平台的交互设计

5．1 微信公众号开发

5．2 系统微信公众号设计

5．2．1 系统微信公众号总体架构

5．2．2 自定义菜单开发

5．2．3 ArcGIS for JavaScript移植及应用

5．2．4 自动回复功能

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文、专利和参与的项目