1. 需求概述
1.1 项目背景
当前，全国环保系统按照空气质量新标准建成了发展中国家最大的空气质量监测网，所有地级以上城市都按照新的空气质量标准开展了包括PM2.5在内的6项主要空气污染物监测，并实时发布监测信息。
面对当前生态文明建设的新形势和新要求，我国生态环境监测事业发展还存在网络范围和要素覆盖不全，建设规划与信息发布不统一，信息化水平和共享程度不高，监测与监管结合不紧密，监测数据质量有待提高等突出问题，影响了监测的科学性、权威性和政府的公信力。对此，建立一套优良的环境监测系统，对重点抓好全国环境监测技术体系建设、确保数据的真实性和可靠性、以及环境管理和决策提供了科学支撑。
1.2 系统目标
按照新颁布的《环境空气质量标准》,对细颗粒物(PM2.5)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)等新增监测标，建立健全统一 的质量管理体系和点位管理制度，完善空气质量评价技术方法与信息发布机制，建设先进的环境空气质量监测预警系统,从而打造智慧城市。
通过本次建设具体实现以下目标:
●实现空气污染物 自动监测
●实现空气质量审 核发布
1.3 系统结构
系统整体由控制模块、数据采集模块、信息传输模块和报警显示模块组成.数据采集模块由温湿度传感器、紫外线传感器、烟雾传感器、PM 2.5传感器和人体感应模块组成,对范围内环境数据进行采集.控制模块包括主机和从机两部分.从机控制数据采集模块正常运行,将采集数据通过 无线传输模块发送到系统主机;主机搭载报警显示模块和GPRS模块实现环境预警、数据显示和发送信息的功能.信息传输模块分为无线传输模块 和GPRS模块.无线传输模块使用NRF24L01联通上下位机;GPRS模块实现系统的物联网通讯.报警模块包括声光报警与LCD屏显示数据.系统整 体设计如图1所示
2. 系统功能需求
1）数据实时监测：通过与现场安装的无线采集设备相连的气体传感器，实时采集现场各类气体浓度，并即时经由乐联网关上传到监测中心，保证数据的时效性。
2）远程集中管理：能够根据无线设备和传感器安装的位置对整个系统当中的设备分区域显示，对不同地点、不同场景的监测设备进行区别管理，同时也能对多区域进行集中监测。
3）原始数据处理：对上传到服务器中的数据进行预处理，能够在平台上实现时间性的数据图形或是到处数据报表，以达到对现场空气环境进行分析的作用。
4）数据断点续存：在该解决方案当中，当遇到上传服务器的网络断开时，使用的智能网关能够自动存储下方连接设备上传的数据。待传输网络连接成功后，会将缓存的数据第一时间上传到服务器，防止数据因网络问题出现丢失。
5）智能短信报警功能：当监测到的气体浓度高于客户现场的限制浓度时，能够实现平台端、设备现场以及用户手机短信等多个场景的报警提醒功能，便于客户对现场环境的了解。
6）主动故障提醒：一旦现场使用的监测设备出现异常，会主动上报异常状态，便于客户及时发现问题，并有针对性的找到故障设备。
7）设备远程控制:客户可以在监控中心对监测现场设备进行远程启动、设定工作时间等远程操作，并可对设备当前的工作状态进行查询。
2.1 环境数据采集模块
2.1.1 功能描述
该模块分为温湿度采集模块、紫外线检测模块、烟雾监测模块、PM,s传感器模块和人体红外检测模块。
系统使用DHT11数字温湿度传感器采集温湿度数据,DHT11是一款复合传感器,含有已校准数字信号输出.内部由NTC测温元件和电阻式感湿元件组成,并且和一个高性能的8位单片机相连接,反应迅速、能有效抵抗干扰.该传感器工作电压在3-5.5V之间,可测量的湿度范围为20%~90%RH,测量误差为t5%RH;可测量的温度范 围为0~50C,测量误差为2C.采用单线制串行接口，易集成、功耗低,满足环境监测的要求.使用单总线数据传输格式,通过PG11端与单片机进行数据传输。
UVM-30负责紫外线强度采集,采用线性电压输出,响应200-370nm间的波长,输出电压为0-1V,对应UV指数0~10,UVM-30紫外线传感器响应速度极快,低于 0.5s.具备灵敏度高、抵抗可见光干扰强的优点.接单片机PA0端。
烟雾监测使用MQ-2型烟雾传感器,该传感器属于二氧化锡半导体气敏材料,对液化气、丙烷、氢气等可燃性气体的检测效果理想,拥有广泛的探测范围和优异的稳 定性.一旦传感器与烟雾相接触，晶粒交界处的势垒就会改变,材料的电导率因此变化,电阻降低,并根据不同的烟雾浓度输出不同的电压值.电压随浓度升高,再利用A/D 转换将其转化为数字量,供单片机进行数据分析.本系统选用的输出形式为TTL高低电平输出,如果环境中烟雾浓度超过预设值,单片机将端口拉低,以此判断周围是否有可燃性气体泄漏。传感器输出的模拟信号经过ADC转换传给单片机,与PA1端口相连。
使用GP2Y1010AU0F光学灰尘传感器监测PM25数值,可检测直径大于0.8um灰尘颗粒浓度,电压以模拟量形式向单片机输出,与PM2s浓度成线性关系.工作电 压2.5~5.5V,灵敏度0.5V/(100ug/m3),有效量程500ug/m3,功耗极低.接单片机PA11端。
人体红外监测使用HC-SR501传感器,该传感器依托红外线技术,可实现自动控制,具有反应灵敏、系统稳定等优点。默认工作电压为DC4.5~20V,可在超低电压的情况下工作,应用范围极广。当传感器检测到有人出现在感应区域时,对外输出一个高电平,而当人员离开该区域时转为低电平。高低电平转换期间存在锁存时间,每转换 一次,就会设定一个锁存时间段，此阶段传感器不接收任何感应信号,因此可避免负载切换中可能产生的任何干扰.本系统中采用下拉输入的工作模式连接单片机PB4 端。
2.1.2 业务流程
用户可通过手机APP或者登录平台查看监测数据结果。
2.1.3 用户界面
系统操作简便，数据结果查询图标醒目且居中，并且采用菜单界面驱动方式，能方便用户操作。
2.2 信息传输模块
2.2.1 功能描述
信息传输模块包括无线收发模块与GPRS模块.
使用NRF24L01模块实现无线收发功能.该模块在2.4-2.5GHzISM频段工作.低功耗1.9~3.6V间工作,提供126频道,可实现多点通信与跳频通讯，最高工作频率2 Mbps,高效GFSK调制,抗干扰能力强,可自动反应并再次发射信号.使用SPI接口设定输出功率频道和协议，与单片机连接方式便捷,具有很好的适应性。
2.2.2 业务流程
用户可通过网址登录平台，还可扫描二维码或者主题商店查找APP。
2.3报警显示模块
2.3.1 功能描述
报警模块采用蜂鸣器和LED进行声光报警.显示模块选用的是一款4.3寸(约14.33cm),分辨率为800*480的TFTLCD电容触摸屏.NT35510作为LCD驱动器 ,采用16位8080并口与外部连接.芯片自带GRAM,无需外加驱动器,可被任何单片机轻松驱动。具有亮度好、对比度高、层次感强，刷屏速度快、显示稳定等优点。
2.3.2 业务流程
当出现警报时用户主界面会弹出警告界面，当用户知晓和处理后，才会消失。
2.3.3 用户界面
有警示图标，图标颜色为红色，醒目突出，界面弹框简洁，有指引用户消除警报的步骤提醒。
3. 系统非功能需求
●使用GPRS模块连接soft-ap,登陆乐联网指定IP地址并按照要求配置参数，配置成功后云平台会自动显示数据,用户可根据自身需求绑定微信等信息接收平台.
●本系统主要实现对社区环境监测与实时预警,当主机检测到从机传输来的环境数据异常,就会判断异常位置并进行声光报警,同时将信息上传至乐联网,向用户 报警信息.
●对于温湿度,本系统在室内进行测试,可准确显示传感器采集的空气温湿度数据.经多次测试,测得数据误差在土5%以内,满足实际需求。
●采集到的环境数据绑定到社区公众号平台上,定期推送并上传至乐联网平台,供居民实时了解所在社区的环境状况.本设计将采集的信息上传至乐联网平台,发 形式为:“当前温度:25"C;湿度:50%;火警:无;外人入侵:无;紫外线强度:87mW/m;PM25:43ug/m3.系统设置每2h向用户发送当前的环境监测数据,如果检测到数据异 则立即发送异常的数据,由乐联网平台提示用户并报告相应的位置信息。
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