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基于STM32的室内空气监测系统的设计与实现.pdf

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⑧ 硕士学位论文MASTER‘S THESIS摘要随着全球经济的迅猛增长,人们对生活质量的要求也在不断地提高,居住环境更是越来越受到人们的重视。同时,电子、计算机等领域也发展到了一个不可思议的阶段,这为居住环境的智能化提供了坚实的技术支持。在这样的条件下,智能家居诞生并得到了很有利的发展。因此,智能家居也成了近些年来的备受人们关注的话题之一。目前智能家居以及智能家居环境正处于初步发展阶段,各大电子、电器公司都在加大研究力度,以达到早一步占领市场。而伴随着室外的空气质量同益变差,人们也逐渐地关注室内的空气条件。因而如何使得室内的居住环境质量更优质、健康、安全,就是智能家居中一个非常重要的课题。本论文的设计是为了解决室内温度、湿度、烟雾浓度的监视与控制等问题而提出的,同时,为小型智能家庭环境DIY提供借鉴,也为物联网底层监测系统提供参考。本论文主要工作是设计一套家庭环境监控系统,使某台计算机能通过无线传输方式与家庭环境监测系统进行数据交互,以监控室内的温度、湿度、烟雾浓度等参数。该系统主要实现了四大功能不同的监测器对家庭环境各种参数的采集,将采集到的环境参数通过RS-485电路传送到主控器;主控器通过433MHz无线传输系统将环境参数传输到PC上位机;上位机对家庭环境参数的实时显示以及实现人机交互;通过PC机返回的指令控制加热器、加湿器、报警器来调控室内环境参数。经过测试和实际应用,该系统运行良好,基本实现了各项功能要求,符合设计标准。本设计将温度、湿度、烟雾浓度等空气质量参数融合在一个系统里面,打破了以前的多种参数独立采集方式,为后面的研究提供了很好的借鉴作用。关键词 室内环境;RS一485;STM32F103;无线传输万方数据⑩ 硕士学位论文MASTER’S THESlSAbstractWith the rapid development of global economy,the requirement for life quality ofpeople is increasingly improved;moreover,people gradually attach importance to theliving environment.Meanwhile,the fields of electronics,computers and SO on havedeveloped to an tmimaginable high stage,which provide strong technical supporrt for theintellectualization of living environment.Under these conditions,intelligent homesystem is born and develops well.Therefore,intelligent home system becomes one of thehot topics in recent years.Currently,intelligent home and intelligent housingenvironment are in the initial development stage;in order to take market share one stepahead,electronics companies and household electrical appliances companies concentratemore efforts on research.People become more and more concern about the indoorenvironment because of the increasing worse outdoor environment.Hence,it is anessential issue of smart home system about how to make indoor environment gettingmore comfortable,healthier and safer.The research purpose of this paper is to solve problems from monitoring andcontrolling indoor temperature,humidity and smoke concentration,which providesreference for DIY of small intelligent housing environment and the detection system ofInternet of things.The main work of this paper is to design a set of detection system for housingenvironment,where data interaction between a specific computer and housingenvironment detection system can be done through wireless transmission mode,whichwould monitor the indoor temperature,humidity,smoke concentration and other data.This system mainly achieves four functionscollecting varies data from housingenvironment by using different detectors,and transmits the collected data to mastercontroller through RS-485 circuit;the master controller then transmits the environmentdata to PC upper computer;upper computer would real-time display the relevant data ofhousing environment and achieves humancomputer interaction;the PC would regulateand control indoor environment by controlling the air conditioner,humidifier,alarmaccording to feedbacks from detection.Atter testing and practical application,this system works well and basicallyachieves requirements of all functions,which consists with design criterion.万方数据⑥ 硕士学位论丈MASTER’S THESlSThis design fuses temperature,humidity,smokescope and other air qualityparameters together in a system and breaks the old way of individually acquisitingvarious parameters,which play a role as reference effect for later studies.KeywordsIndoor Environment;RS一485;STM32F 1 03;Wireless Transmission万方数据⑧ 硕士学位论丈MASTER‘S THESIS目 录摘要.IAbstract..II第一章绪论11.1课题的背景及意义11.2课题的研究现状21.2.1国内发展现状一21.2.2国外发展现状一31.2_3智能家居的发展趋势..31.3论文的研究内容及组织结构41.3.1论文的主要研究内容一41.3.2论文组织结构一4第二章系统方案设计.62.1系统功能要求概述62-2系统模块功能介绍62.3系统框架结构图62.4 RS.485通信方式介绍7第三章系统硬件设计..103.1采集电路的设计..103.1.1采集电路的设计框图103.1.2采集模块的MCU选型.1 13.1.3采集模块的最小系统123.1.4温度采集电路143.1.5湿度采集电路1 53.1.6烟雾浓度采集电路153.1.7 RS一485电路163.2主控电路的设计..1 83.2.1微处理器的选用及介绍193.2.2最小系统电路213.2.3 JTAG接口电路..22万方数据⑧ 硕士学位论文MASTER‘S THESIS3.2.4串行通信接口电路233.2.5 RS-485通信电路233.3控制电路的设计一243.4无线模块电路设计一25第四章系统软件设计.274.1采集电路程序设计一274.1.1温度采集电路程序274.1.2湿度采集电路程序294.1.3烟雾采集电路程序324.2主控电路程序设计..344.2.1 RS一485通信组网程序344.2.2串口通信程序374.2.3控制电路程序设计384.3上位机软件..39第五章系统调试。425.1硬件电路调试一425.2串口调试一425.3上位机软件测试一435.4工作图片展示一45第六章总结与展望.466.1总结.466.2展望一46参考文献48致谢.51万方数据⑥ 硕士学位论丈MASTER‘S THESIS1.1课题的背景及意义第一章绪论自二十世纪八十年代起,全球的经济得到了迅猛的发展,而我国在改革开放的大背景下,国内生产总值GDP,Gross Domestic Product更是呈现级数式增长【1】。我国1980年的GDP国内生产总值总量的4592.9亿人民币排名全球第八位,而2014年我国的GDP达到了636463亿人民币排名全球第二,是1980年138.6倍之多。GDP的快速递增,使得人们对自身的物质条件、周围生活环境条件的要求也越来越高,而室内家庭的居住环境更是备受关注12】。与此同时,近几十年的电子信息科学、计算机、通信、互联网等行业同样是发展迅猛。IC集成电子线路,Integrated Circuit设计技术快速发展,芯片的量产水平已经达到了14纳米及以下技术,目前很多的电脑CPU就是采用这种工艺。这大大提升IC的门数、处理能力及性价比;同时,软件技术的高速发展,使芯片和计算机硬件更加智能化;各种通信方式加快了从模拟通信转向数字通信、从低速低效率转向高速高效率、从单一通信方式转向多方式结合,ZigBee[3114】、蓝牙4.0、WIFI等技术不断革新,移动通信在推出4G后,又在着手推出5G通信技术;硬件、软件、通信、互联网等各个方面的技术的相互融合和渗透,不断地推动着我们的应用技术的发展,各种技术的应用经深入到人们生活的各个角落。这些技术的发展与成熟正在不断地颠覆人们对各行业的传统认知。任何一个事物的产生都是在充分而必要的条件下发生的。经济的迅猛发展、人们对物质生活要求的不断提高对智能居住环境的产生提供了必要条件,同时,电子与通讯行业的快速发展也为其产生提供了充分的条件。智能家庭居住环境就是在这样的条件下诞生的【51。本论文中研究的家庭室内环境监控系统属于智能家居中的一个重要方向,它的温湿度控制方面属于智能家居的家用电器领域,而其烟雾浓度监测方面属于智能家居中的安全防御领域。这样的结合并不是一个无理式的堆积,而是以室内的环境变化为核心依据的归类。同时,这种归类也作为对家庭室内环境系统的控制的一种探究。万方数据⑥ 硕士学位论文MASTER’S THEStS1.2课题的研究现状1.2.1国内发展现状智能家庭居住环境的概念大约在1994年进入我国的,它的发展也并不如想象中的那么顺利。从1994年到1999年期间是概念熟悉阶段【6】,国内对这个方面只是处于一个产品的相关概念、功能的熟悉阶段,当时国内并没有任何智能家庭居住环境方面的生产、设计公司,仅有少数代理国外产品销售的公司。在2000年到2005年期间,我国先后成立了几十家智能家庭居住环境方面的研发以及生产公司,大部分都在珠三角,长三角区域。国内的市场,以及相关方面的技术也在这一阶段慢慢发展起来。而2005年到2007年期间,一些企业过分追求效益和加大竞争能力,以及智能家居标准不统一等原因,许多厂家对智能家庭居住环境的描述不切实际。很多用户在使用产品之后非常不满意,纷纷投诉这些产品[71[Sl。这使得智能家庭居住环境市场遭受了严重打击。在这种恶性的竞争环境中,有不少的厂商退出了这一市场,坚持下来的厂商也大大的缩减了规模。到了2011年,由于房地产行业的调控,智能家居市场也明显有了有了增长的势头,在后面的几年里,智能家庭居住环境市场呈现出非常快速的发展现象,同时,协议和标准方面也丌始互通和融合,家电巨头纷纷开始布局智能家居。到了2014年各大传统的家电厂商均已经在智能家居行业涉足,在行业中呈现出各大传统电器厂商和新兴的手机、互联网的厂商的合作。2014年12月份,小米与美的集团达成战略合作。同年年底,海尔和恒大集团也签订了相关方面的合作协议。各大厂商强强联合更是加剧了智能家庭居住环境市场的竞争。关于智能家居的话题不断的登上新闻的头条,2015年春节期间,大量中国游客到日本去抢购马桶盖、电饭锅等,一时间红遍网络。从智能家庭居住环境在中国的十多年的发展方面来看,中国的智能家居市场潜在着十分巨大的商机。近年来,智能家居系统的销售数量和销售总额都呈现连续攀升对的势头,智能家居市场已经从沿海地区辐射到内地城市和西部地区。另外,2011年我国出台的物联网“十二五”规划,把智能家居列入国家重点发展和扶持的对象,并且近些年来国家也十分鼓励商家将资本投资到智能家庭居住环境市场方面,在今年的两会议题上面,小米CEO雷军也多次提到智能家庭居住方面,相信我国的智能家庭居住环境市场将会迎来健康积极的成长阶段。2万方数据⑧ 硕士学位论文MASTER’S THESIS1.2.2国外发展现状自1984年的第一幢智能建筑在美国出现以来,美国,欧洲,加拿大等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案【9】。但是,智能家居并没有长足的进步,其主要原因如下第一没有统一的标准,在很长的一段时间里,并没有统一的标准出现。第二没有知名的品牌,国际上知名的电器厂商无法独立完成这样一项巨大的任务,而互联网、电子厂商在在家居方面更是缺乏研发经验。第三高昂的成本,目前成套的智能家庭居住环境的设计以及实现的资金并不是普通的家庭支付得起的。因为国际上还没有关于智能家庭居住方面的统一的标准,因此,各个企业围绕智能家庭居住环境的竞争基本上是自成阵营。目前智能家居的标准之争已经达到了顶峰,越来越多的电器、互联网、电子巨头加入All Seen联盟。在市场上越来越激烈的需求和竞争环境下,不断地出现传统的电器巨商和电子、互联网公司联盟或合并。2014年初,Google收购了由托尼.法德尔创办的智能家庭居住公司Nest Labs【lo】,同年,苹果推出的HomeKit智能家居应用平台更是吸引了PHILIPS、凯特安、海尔等全球顶级企业的加入。同时,2014年也称之为智能家居发展的创始之年。1.2.3智能家居的发展趋势智能家庭居住环境行业目前还处于一个高速成长的阶段in],因此,其成长与发展速度也将是不可估量的。其整个应用包括硬件平台、传输系统、软件系统等。因此其发展也将是围绕这些方面进行改进【陀]。第一、专用芯片的出现目前市场上的智能家居采用的硬件平台都是基于通用的MCU,随着硬件平台的成熟,市场也将会迫切的要求专用的芯片的以提高其处理能力、减少丌发成本。第二、传输方式的多维化和统一化目前应用于智能家庭环境系统的传输方式主要有ZigBee、以太网、2.4GHz、蓝牙等,各种传输方式都有其特点,近距离可以通过ZigBee方式,稍远距离可以通过以太网方式等,或许以后将会出现一种能在功耗、传输速率、距离等方面协调发展的一种通信方式。第三、系统平台的多样化目前最有名的平台是Apple的HomeKit智能家居平台,在不久前结束的上海家万方数据⑥ 硕士学位论文MASTER’S’rHESIS博会上,海尔就展示了支持HomeKit平台的空调。同时,各大IT、互联网公司也退出了自己的平台。第四、标准的统一化智能家居行业到目前为止一直都没有统一的标准,也正是因此而导致了智能家居市场的鱼龙混杂,在今年的全国人民代表大会上,小米的CEO雷军就表示“制定一个标准容易,难的是执行”,说明智能家庭环境行业的标准制定已经到了最后关键时刻了。第五、功能的多样化、生态化现在的技术还知识主要应用在大型家电上面,以后还将会对家庭中的各个方面实现功能性控制。安全监控方面、智能环境控制方面、以及远程抄表方面等。1.3论文的研究内容及组织结构1.3.1论文的主要研究内容本论文主要研究家庭环境中的温度、湿度、烟雾浓度控制系统的设计与实现,使得系统能够实时的监测与控制这些环境参数。论文的主要研究内容包括系统整体方案的设计确定底层采集模块与主控器通信方式、以及主控器与上位机之间的通信方式。系统硬件设计底层集采器的原理图以及PCB实现,主控器的设计基于STM32丌发板的二次开发。系统软件设计包括采集器、主控器部分的下位机实现,使得硬件部分能够正常工作。上位机软件设计实现用户能够实时观察采集信息以及设置控制信息的界面。整体的实现与调试系统整体框架以及流程的设计、设计具体实现完成后,对系统的硬件平台、软件平台进行调试和分析。1.3.2论文组织结构本论文的具体结构安排如下第一章为绪论。本章节主要论述了课题的背景及其来源,并概述了智能家庭环境居住系统的起源以及当前国内、国外的发展现状,以及对其未来的发展方向作了简要的分析和预测,最后对本论文的主要工作和论文组织作了一个简要的阐述。第二章为系统方案设计。通过系统要求,设计出系统的整体框图,并以此来对整个系统作一个简单的介绍。4万方数据第三章为系统硬件设计。包括对采集电路、主控电路、控制电路、无线模块的硬件电路的分析,以及对各个子电路的功能介绍和主要芯片的选型说明。第四章为系统软件设计。分别对采集器、主控器、上位机中各个模块的程序功能作一个概述,并对核心部分程序进行详细的分析。第五章为系统调试。包括对调试过程中的硬件测试、软件功能、以及调试过程中遇到的各种问题的分析、解决等。第六章为总结与展望。万方数据
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