多参数检测与商用云端预警的大气在线监测系统研制

摘要

近年来，在我国经济飞速发展的同时，大气环境问题日益凸显。酸雨、雾霾等大气污染状况处于高发期，严重影响了人们的生产生活，引起了政府部门的高度重视。面对严峻的环境问题，智能高效的大气在线监测设备将在大气环境的实时监测及有效治理中发挥至关重要的作用，为亟待解决的大气环境问题以及国家可持续发展提供科学依据。然而，现阶段我国投入应用的大气监测设备存在整体耗资巨大、多数设备靠进口、实时性不高、人为因素影响大、数据可操作性差等问题，国内研发的设备存在监测参数较少、网关节点单一、数据利用率低、信息发布平台维护成本较高且过程繁杂，无法满足现今对于大气监测设备多参数、多节点、高可靠性、低成本及数据实时便捷共享的需求。
　　为了更好地解决上述问题，本文引入物联网、嵌入式、传感器等关键技术，结合2015年陕西省社会发展科技攻关项目（基于物联网的大气质量预测预警系统的研究，项目编号:2015SF284）开展研究工作，提出了以监测西北地区城市及周边区域大气质量状况为目标的“多参数、多节点大气在线监测系统方案”，研制了“大气在线监测系统”，本文主要讨论的内容为大气在线监测设备的开发、乐为物联网云服务平台的配置及配套应用设置。本系统的主要任务及技术要求如下:
　　1、对监测点的温度、湿度、PM2.5、PM10、SO2、O3这几项大气参数进行实时测量;
　　2、将监测点的大气监测数据实时传输给大气监测信息处理中心，通信距离大于30km;
　　3、信息中心软件能够对大气监测数据进行存储、显示、预测。
　　该系统由大气监测系统硬件部分、乐为商业物联网云服务平台部分以及大气监测上位机应用软件部分组成。系统能够对监测点的大气参数进行实时测量并传输到物联网云服务平台上，上位机应用软件能够实时获取物联网云平台上监测设备上传的数据，并对数据进行分析、处理、存储、显示以及报表输出，为环境保护提供依据。
　　本文研究的主要内容如下:
　　1、大气在线监测技术研究:分析并总结了现有的大气在线监测技术，并结合陕西省社会发展科技攻关项目项目(编号:2015SF284)要求，提出了一种多参数、多节点的大气在线监测方案，对该方案的实时性、实用性、可操作性、可扩展性进行了论述，并对底层多节点大气数据融合研究做了初步探索;
　　2、系统硬件设计及开发:提出了一套经济、实用的硬件设计方案，采用模块化接插设计的方法，完成了大气在线监测系统的硬件电路设计，并给出了实现电路及工作原理，展示了部分的硬件样板。
　　3、大气在线监测系统软件开发:根据硬件电路的实际需要，采用嵌入式系统编程的方式，对系统任务进行了划分，并且完成了各功能模块的驱动开发;
　　4、商用物联网云平台的接入方法研究:深入分析了商用物联网云平台的接入方法，完成了乐为物联网云平台的配置、监测设备的接入，以及信息的实时发布。
　　通过对软硬件的测试以及与上位机软件的联调显示，系统整体运行正常，能够对监测点数据进行实时在线监测、预警并带有GPS定位功能。系统具有本地数据不易篡改、廉价、操作方便、自动化程度高的特点，其系统相对误差在5％以内，达到了项目的预期目标，可以广泛应用于大气监测领域。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的及意义

1．2．1 研究目的

1．2．2 研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本论文主要研究内容和组织安排

1．4．1 论文的主要研究内容

1．4．2 论文的内容组织安排

第2章 大气在线监测系统相关技术研究

2．1 嵌入式技术

2．2 物联网关键技术

2．2．1 移动通信网络技术

2．2．2 物联网云平台接入技术

2．2．3 NRF24L01非标准协议无线射频技术

2．2．4 传感器信息融合技术

2．2．5 定位技术

2．3 感测技术及大气监测传感器

2．3．1 感测技术

2．3．2 PM2．5、PM10传感器及原理

2．3．3 SO2、NO2、CO、O3气体传感器及原理

2．3．4 温湿度传感器

2．4 本章小结

第3章 大气在线监测系统总体结构及硬件开发

3．1 大气在线监测系统总体结构

3．2 硬件整体结构

3．3 传感器调理电路设计

3．4 大气监测系统主控板硬件电路设计

3．4．1 主控板电源电路设计

3．4．2 主控板STM32F103ZET6最小系统设计

3．4．3 主控板按键与LCD接口电路设计

3．4．4 主控板SD接口电路设计

3．4．5 主控板NRF24L01无线通信模块接口电路设计

3．4．6 主控板温湿度接口电路

3．4．7 主控板ADC模数转换模块接口电路

3．4．8 主控板PCB样板展示

3．4．9 主控板焊接完成实物展示

3．5 AD模数转换模块电路设计

3．5．1 AD模数转换模块应用电路设计

3．5．2 AD模数转换模块参考电压电路设计

3．6 3G通信模块电路设计

3．6．1 3G通信模块核心部分电路设计

3．6．2 3G通信模块电源电路设计

3．7 GSM通信模块电路设计

3．8 系统样机内部硬件实物展示

3．9 本章小结

第4章 大气在线监测系统软件开发及云平台配置

4．1 系统嵌入式软件设计

4．1．1 μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系统

4．1．2 颗粒物传感器驱动

4．1．3 ADS1256模数转换模块驱动

4．1．4 MC509模块驱动

4．1．5 SIM900A模块驱动

4．1．6 NRF24L01无线通信模块驱动

4．1．7 LCD显示及4*4按键驱动

4．1．8 SD卡驱动

4．1．9 GPS定位模块驱动

4．2 系统商用物联网云平台及应用

4．2．1 商用物联网云平台数据传输协议

4．2．2 商用物联网云平台配置

4．2．3 商用物联网云平台应用展示

4．3 LabVIEW上位机软件设计

4．4 底层传感器融合可行性初探

4．5 本章小结

第5章 系统实验测试与数据分析

5．1 系统功能测试

5．1．1 开机密码登陆界面测试

5．1．2 AD数据采集测试

5．1．3 NRF24L01无线通信测试

5．1．4 GPS定位测试

5．1．5 网络通信测试

5．1．6 云平台数据显示界面测试

5．1．7 全国数据共享平台位置测试

5．1．8 SD卡数据存储测试

5．2 整体实物展示

5．3 数据分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文总结

6．2 本文特色

6．3 研究展望

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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