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基于STM32与LABVIEW的环境监测系统设计方案.docx
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基于STM32与LABVIEW的环境监测系统设计方案.docx基于STM32与LABVIEW的环境监测系统设计方案.docx基于STM32与LABVIEW的环境监测系统设计方案.docx基于STM32与LABVIEW的环境监测系统设计方案.docx基于STM32与LABVIEW的环境监测系统设计方案.docx基于STM32与LABVIEW的环境监测系统设计方案.docx基于STM32与LABVIEW的环境监测系统设计方案.docx基于STM32与LABVIEW的环境监测系统设计方案.docx基于STM32与LABVIEW的环境监测系统设计方案.docx
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基于 STM32 及 LABVIEW 的环境监测系统设计方案
1.1 环境监测系统的研究背景和意义
在改革开放三十年中,全国经济显著提高,一夜间出现很多大城市,城市的
发展却也使得人们赖以生存的环境遭到污染。近年来,随着人们生活质量水平的
提高,我们也越来越重视我们个人的心理健康与身体健康。同时我国为控制大气
环境污染和保护环境,政府部门已经采取了相关办法来保护环境,但是由于监测
技术上的缺陷和不足,严重制约了相关措施的实施进度。传统的环境监测技术已
经跟不上社会经济发展的步伐,所以研究一种实时化、智能化、集成化的监测设
备迫在眉睫。
嵌入式技术是近年发展很快的热门技术,其相关的嵌入式系统已经在很多领
域得到应用,包括医疗设备、智能电器、军事工业、工业自动化等领域。人们的
日常生活也与其息息相关,像手机、数字电视、电脑、数码相机等都是嵌入式技
术的典型应用 。
[1]
虚拟仪器 LabVIEW 是一种将传统程序语言转化为图像化积木模式的开发环
境,同时也是作为终端工具提供给用户使用。它的应用极为广泛,工业界、学术
界和实验室等极为频繁使用。虚拟仪器具有许多优点,它非常方便快捷,能够加
快自己项目的开发进程,大大提高工作效率 。
[2]
近年来无线通信技术的发展非常迅猛,使得由微控制器、传感元件和无线通
信网络组成的无线传感器通信网络有了空前的成长。其中 ZigBee 技术由于其能
耗较低、成本较低、速率较低、距离短和双向无线通信等优势,受到了广泛关注
和应用。其网络节点多,能够极方便进行组网,所以 ZigBee 技术能够很好的达
到信息采集处理要求,因此无线传感器网络适合用它构建 。目前,GSM 网络的
[3]
发展相当成熟,它的覆盖面积非常广、信号稳定、通信成本相对较低。国外许多
通信公司和开发商对 GSM 网络业务的扩展产生浓厚的兴趣,进行大量资金和人力
投资,开发出自己的产品来抢占市场。
设计主要利用嵌入式处理技术及传感器数据采集组网技术来实现,该方法能
够灵活的构成网络,并且能够实时监测空气中的温度、湿度、烟雾。使用 Zigbee
技术的无线传输进行局域网组网,并利用多传感器数据融合技术进行数据的存储
和分析,且电脑端 LABVIEW 编写的上位机软件能够实时显示数据。论文设计的基
于 STM32 和 LABVIEW 环境监测系统相对于工程应用来讲,它能够构成一个监测围
非常广泛的监测网络,并且能够实时存储处理各个节点的数据,此外,设计的节
点构成简便,通过无线传输构成网络通信,极为可靠并有一定的应用价值,上述
都优于单点式监测仪表与有线监测网络。系统使用 CC2530 无线单片机作为其硬
件的主要构成部分,其构成简便、功耗低于其他产品;系统采用 μC/OS-Ⅱ 操作
系统作为网络节点的嵌入式应用程序设计,系统能够自我组织、扩展性强,系统
的研究设计方案是基于无线传感器网络的设计理念以及其技术方式,拥有某种程
度上的创新性,不管是在理论学术研究方面,还是在实际工程建设方面都具有重
要的实际价值和研究意义。
1.2 环境监测系统的研究现状
随着环境污染的产生和程度加深,环境监测技术得以迅速发展起来。在绝大
部分工业发达国家,环境监测从开始以一些重大环境污染事故调查和环境污染事
故处理以及环境事故预防为主到上世纪五十年代,发达国家如美国,一些化工厂
的有毒化学品泄漏造成的环境污染时常发生,致使用化学方法来检测污染源中的
化学成分和含量成为当时环境监测的主要手段及特征。自从上世纪六十年代末以
来,人们慢慢注意到环境污染的原因虽然以化学成分污染为主,但是同时还受到
物理因素,生物因素等因素影响,所以环境监测技术开始慢慢牵涉到物理及生物
领域的方法;再者发达国家的环境立法已经趋于完备,相关环境法的执法越来越
严格,而对于企业级别的污染物排放的监控越来越受到政府的重视,污染物的监
测技术以及商业前景越来越受到重视。上述时期的实际监测工作主要是监督性质
的监测为主。从上世纪七十年代中期至今,政府和群众对环境问题的认识不断升
级和加深,发达国家如美国,把环境监测技术的研究焦点从污染物的源头监控,
向现在的环境整体品质监控上来,使环境监测技术设计围从当初的点监测逐渐向
面监测发展,开始了有效预防 。
[4]
现今,我国环境监测技术相对来说更加侧重城市的环境监测、工业级别污染
源监测、环境的整体质量监测,却在整体生态环境监测方面并不看重。我国当前
的生态监测技术主要限于监测能力低下,技术与设备无法更上时代脚步,实际生
态监测工作经验很少,生态系统规律的整体认知不足,因为上述的原因我国的环
境监测停留在污染生态监测阶段,在这种情况下必须从实际情况考虑,监测指标
的选择也必须考虑到实际条件限制,污染的生态指标在今后相当长的时间仍然会
作为高度优先的监测指标。在此同时,因为经济的过快发展对生态环境的破坏,
造成当前环境承受力的监测数据在当下仍然迫切需要,将其例入优先监测对象是
可急不可缓之事。我国处于环境监测技术含量总体偏低环境下,整体自然生态环
境的破坏程度和随之而来的连锁恶化程度的监测与其它国家完善的环境污染监
测相比,依旧在一个相对弱很多的地位上。最近几年以来,我国先后提出了许多
监测计划和研究方案,都将重点放在了生态监测方面。现在,我国围的生态监测
工作主要集中在生态环境演化过程方面,生态污染监测在小部分区域受到一定程
度重视,但还是在微观环境污染监测的畴之。从我国已经完成和正在进行的环境
污染监测研究来看,对比与其他发达国家,我国的环境监测技术所使用的技术和
手段仍然无法跟上时代的需求。大部分的环境污染监测的实施仍然是研究性质偏
多,环境污染监测理论里的普通性质的污染监测工作仍然在起点线上,急需更多
开发人员参加到研究和讨论中来。
1.3 论文主要研究容及结构
论文设计的是基于 STM32 及 LabVIEW 的无线环境监测系统,系统主要研究任
务是对环境参数的采集、传输及处理。在论文的开篇部分,在纯理论的角度上简
述了 ZigBee 和 GSM 这两种经典的无线传输技术,并对它们之间相对的特点及各
自的优势做了一个介绍。然后根据系统的整体功能分析提出了环境监测系统的整
个方案结构。接下来具体介绍了硬件设计部分,如传感器选项及电路设计。再根
据总体结构,构建了嵌入式开发环境,对数据采集、数据传输、控制模块及
LabVIEW 编写的上位机软件部分进行了设计介绍。系统实现了对 μC/OS-Ⅱ 操作
系统的移植,和监测数据的无线传输、处理、实时显示等功能。
论文主要分为六部分,各部分容如下:
第一部分:绪论,大体上介绍本篇毕业论文所涉及的环境污染监测技术的研
究背景及其研究意义,同时还介绍我国与国际环境监测现状的对比和本次毕业论
文主要研究容和结构。
第二部分:系统方案分析和关键技术介绍,介绍和分析了虚拟仪器、ZigBee
技术、GSM 技术的优势,确定出总体设计方案。
第三部分:系统硬件电路设计,介绍了系统所需的传感器、控制器及采集器
的硬件选型。然后详细介绍了各个模块的硬件电路设计。
第四部分:系统软件设计,软件部分分为 ZigBee 数据传输软件设计,GSM
软件设计,STM32 软件部分设计,LabVIEW 上位机软件设计。
第五部分:系统测试分析,对 ZigBee 传输的数据包抓包实验分析,及串口
数据实验分析等。
第六部分:总结与展望,对已经实现了的预期指标进行总结与分析,对以后
的发展进行阐述。
1 系统方案分析与关键技术介绍
传统的环境监测技术已经难以跟上时代的发展的脚步,论文在基于传统环境
监测方案的基础上进行创新,提出了无线传感网络和 LabVIEW 监测控制技术,根
据实际要求给出了系统预期达到的功能要求。并对涉及的 LabVIEW、ZigBee、GSM
技术进行了介绍。
2.1 系统的功能分析与设计
本课题研究的环境监测系统主要功能是对多个监测区域的有毒气体、湿度、
温度进行连续实时监测,构建出无线传感器网络。设计以 STM32 微控制器为平台,
采用 CC2530 控制温湿度传感器 DHT11 及烟雾传感器 MQ-2 对室温湿度和危险气
体进行采集。通过 ZigBee 无线网络将数据传送给微控制器,STM32 微控制器处
理数据后,由自带液晶屏显示。同时微控制器通过 RS232 将数据传输给 PC 端,
由 LABVIEW 编写的上位机实时显示有关数据。当室温度达到预警值或有危险气体
时,系统将会自动警报并将警报信息通过 GSM 网络传输给客户手机。从而实现对
室环境的监测及报警功能。环境监测系统框图如图 1 所示。
ZigBee 采集节点
STM32 控制器 GSM
模块
移动终端
ZigBee 采集节点
ZigBee 采集节点
PC 机
图 1 环境监测系统框图
系统主要预期功能如下:
(1).环境参数能过实时测量,测量温度围在 0℃~100℃,湿度围在湿度
20-90%RH,灵敏地检测危险气体。
(2).ZigBee 无线网络在 100 平米稳定工作,且穿透力强。
(3).上位机的编写由 LabVIEW 完成,软件性能良好且稳定。
(4).环境温度异常或有危险气体时,立即警报且手机能及时收到报警信息。
(5).ZigBee 采集传输节点能耗小,从而节约功耗,延长节点的工作能力。
2.2 LabVIEW 介绍
LabVIEW,英文全称是 Laboratory Virtual Instrumentation Engineering
Workbench,是由美国 NI 公司所开发基于图形化语言编程的程序编译平台,
LabVIEW 早期的方针是为了实现仪器自动化控制所研发设计的,然后在时代的变
化及进步过程中慢慢成为了一种成熟且独立的高级图形化编程语言。图形化编程
语言使用者在通过流程图构思整体设计思路的同间也完成了目标程序的撰写,这
种模式的程序语言使用的 "数据流 "这种新型概念完全超越了传统的程序语言思
维模式 。
[5]
实验室虚拟仪器工程平台是一种与传统编程语言不同的图形化的编程语言,
在工业、学术界以及研究实验室都被重视的泛用编程语言,一般被运用于标准的
数据采集以及仪器自动化控制。它是一种使用围广泛且使用方便的编程语言,使
用它能够快捷地创建实验或研究所需的虚拟仪器,它所特有的图形化编程界面改
变了整个编程及使用的过程体验,你会觉得编程变得生动有趣起来。
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