物联网技术的城市汽车尾气远程监测系统
本文主要介绍了无线传感器节点和GPRS无线传输数据的实现，实现基于物联网技术的城市汽车尾气远程监测系统的设计，传感器节点采用温度传感器、湿度传感器和一氧化碳传感器，通过GPRS模块向云端发送测量到的尾气中的温度、湿度、一氧化碳浓度参数，上位机LabVIEW则调取云端数据进行处理并采取相应的控制，从而达到远程实时监测和控制的功能。本设计主要应用于汽车尾气的远程监测，同时设定温度、湿度、一氧化碳浓度的参数阈值，当采集到的参数超过所设定的阈值范围时，上位机监测界面就会及时报警提醒相关工作人员。关键词 传感器，GPRS通信技术，Labview虚拟仪器技术，单片机
目 录
1 绪论1
1.1 课题研究的背景和意义1
1.2 尾气检测国内外发展状况1
1.2.1 国外汽车尾气检测技术的研究进展1
1.2.2 我国汽车尾气检测技术的研究进展2
1.3 汽车尾气的危害3
1.3.1 固体悬浮颗粒3
1.3.2 一氧化碳3
1.3.3 氮氧化物4
1.3.4 碳氢化合物4
1.4 课题的主要工作和要求4
2 总体方案设计4
2.1 设计方案5
2.2 系统组成框图5
3 硬件电路设计6
3.1 微处理器模块6
3.2 传感器模块6
3.2.1 DS18B20温度传感器 6
3.2.2 MQ7一氧化碳传感器7
3.2.3 DHT11湿度传感器 8
3.3 显示模块9
3.4 报警模块 10
3.5 GPRS通信模块 11
4 系统软件设计 12
4.1 节点软件设计 12
4.1.1 总体流程图 12
4.1.2 数据采集子程序 13
4.1.3 液晶显示子程序 14
4.1.4 报警模块子程序 15
4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
.2 网络云平台 15
4.3 上位机软件设计 16
4.3.1 上位机流程图 17
4.3.2 上位机主界面 17
4.3.3 上位机数据采集 18
4.3.4 历史数据的查询 19
4.3.5 数据输出 20
5 系统调试 21
5.1 硬件调试 21
5.2 软件调试 22
5.2.1 节点软件调试 22
5.2.2 上位机软件调试 23
6 传感器参数误差分析 24
6.1 温度传感器DS18B20误差分析 24
6.2 一氧化碳传感器MQ7误差分析 24
6.3 湿度传感器DHT11误差分析 25
结论 26
致谢 27
参考文献 28
附录A 30
1 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
这些年来我国机动车辆的个数增长十分迅速，污染问题尤其是城市交通日渐严重，使我国居民的身体健康收到了非常大的威胁。2016 年1月，我国国家环保部门正式提出全国机动车数量到2014年已达24 577．2万辆，和1980 年相比增加了33倍，使汽车尾气成为了我国空气污染的非常重要的来源之一。随着城市交通不断发展，我国的城市化进程也在一直的推进，也必不可少的引发了一些城市大气污染问题。若要改善城市空气质量，必须加强城市交通汽车尾气的监测。
1.2 尾气检测国内外发展状况
1.2.1 国外汽车尾气检测技术的研究进展
汽车尾气排放法规在欧洲、德国和美国等发达国家实施的比我国都早，因而这些国家也拥有较先进尾气检测设备和较强的尾气检测能力。自从1974年开始，怠速法排放检测制度就在美国被设立。其他一些国家，如英国，德国等国家的一些技术领先的公司开始研发一出了一种红外线气体分析仪。1990 年后，美国提出了IG240的新的工况法，这是在他们不断增强了对IM240工况法的研究并且不断改善ASM工况法的基础之下提出来的。这种新型的工况法成功的把VMAS传感器和底盘测功机结合起来，可以使用多种参数的质量表述尾气的情况。时间来到了1998年，实时的车载排放分析仪在美国环保局的带头下被研究出来，这种分析仪的基础最初是汽车排放检测。两年后，英国的理工学院开始研究的汽车在运行的过程中的排放状态，并且对此提出了跨时代的远程监测系统。这种远程监测系统是通过使用国际顶尖的多数据采取技术以及汽车全球定位技术，从而实现了远程监测汽车尾气的排放。曼彻斯特大学电气学院在一年之后也就是2001年又研究出柴油发动机汽车尾气远程监测系统。研究此柴油机远程监测系统的目的是最大化的消除柴油发动机的汽车在行驶的过程中排放的尾气对环境的影响。2003年，日本、美国、澳大利亚等国家已近开始研究小型的汽车尾气检测装置，这些小型的装置可以安装在汽车上、红绿灯口以及危险的加油站处，从而能够把监测汽车尾气所需要的成本降低。目前，欧洲以及美国等发达国家研究的汽车底盘测功机，在全球的知名度已近很高，并且也有了很多知名的生产公司。但虽然新型的汽车底盘测功机还存在着成本代价过高、使用难度太大以及测试系统体积过大等一系列的问题，使它的测量的精度有了很大的进步。目前，经过一系列的研究和发展，几代产品的过度，美国生产的SEMTECH系列以及日本研究的OBS等汽车尾气的检测系统已经得到了国际的广泛认可。
1.2.2 我国汽车尾气检测技术的研究进展
我国的汽车尾气监测设备在2003年之前使用的大部分都是外国进口的先进设备，国内研究的一些设备远不能达到使用需求。在2003年之后我国的车辆尾气排放法规被制定并被严格执行，这才开始了我国的车辆尾气监测系统的发展。国内在2003年之前自主研发的尾气监测系统基本没有，国内的主要研究机构的主要的技术要求是对国外的先进设备进行汉化使用，满足居名的需求。2003 年，万峰是天津大学电子工程学院的教授，自主研发了一种不但能够实现在线监测并且还能把检测的参数信息实现共享的一种基于AOTF的车辆尾气远程监测系统，这是一种值得研究的方法。2004 年，中国科学院实验室在2004年研究的实时监测汽车尾气仪能够实现在线监测汽车尾气中的多种污染物，例如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物等，这种分析仪所采用的原理是紫外差分吸收光谱原理，采用了调谐二极管激光器吸收光谱的新技术。由于这种监测系统完全是自主研发，打破了国内这类技术的空白，拥有比较完整的自主产权，并且为之后我国的汽车尾气远程监测系统开发了一条新的道路。新型便携式车辆尾气监测设备由华中科技大学的陆三兰教授在2006年研制出来。它将红外气体传感器和商用的一氧化氮和氧气传感器相结合。这种便携式的尾气检测系统不但能够实现对碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳、氧气、一氧化氮等汽车尾气污染物的实时监测，并且它的监测的参数值非常精确，得到国内很多人的认可，它的实际应用效果很突出，因此成为了我国车辆尾气远程监测的重要工具，两年之后在青岛科技大学任职的李海涛教授，自主研制出了一种车辆尾气远程检测数据管理系统，对那些含有碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳、氧气、一氧化氮、烟度等汽车尾气污染物的汽车信息采集、私人权限、用户管理等一系列的功能，从而实现了汽车尾气环检部门的电子信息化，部门管理化，这是汽车尾气检测部门的进一步创新。目前，国内的汽车尾气检测系统已经趋于多元化，客户的选择也日渐多样化，国内的企业部门所生产的尾气监测设备如底盘测功机满足检测需求，型号多样，国内自用有余。我国的许多城市都使用先进的汽车尾气遥感监测设备，但随着装有三元催化转换器车辆的不断的增多，这种设备的检测结果因车辆的行驶状况影响较大被逐渐忽略。随着计算机技术的快速发展，以及车辆自动识别技术的提出，已近研发出了一些可以放置在道路或者汽车上的可以移动的小型汽车尾气远程监测系统，但是由于其推广度不高尚未广泛应用。我国国内对汽车尾气检测系统的研究还主要在理论研究上，而国外许多国家的尾气方面的研究在应用领域也已经达到了一个很高的程度。近年来虚拟仪器的发展迅猛，计算机网络的研究也已经不断深入，我国的汽车尾气排放监测技术所要研究的内容也越来越多，最突出的又如GPS技术在汽车上的应用、基于无线传感器网络的汽车尾气在线监测以及无线传输系统的研发等。
目 录
1 绪论1
1.1 课题研究的背景和意义1
1.2 尾气检测国内外发展状况1
1.2.1 国外汽车尾气检测技术的研究进展1
1.2.2 我国汽车尾气检测技术的研究进展2
1.3 汽车尾气的危害3
1.3.1 固体悬浮颗粒3
1.3.2 一氧化碳3
1.3.3 氮氧化物4
1.3.4 碳氢化合物4
1.4 课题的主要工作和要求4
2 总体方案设计4
2.1 设计方案5
2.2 系统组成框图5
3 硬件电路设计6
3.1 微处理器模块6
3.2 传感器模块6
3.2.1 DS18B20温度传感器 6
3.2.2 MQ7一氧化碳传感器7
3.2.3 DHT11湿度传感器 8
3.3 显示模块9
3.4 报警模块 10
3.5 GPRS通信模块 11
4 系统软件设计 12
4.1 节点软件设计 12
4.1.1 总体流程图 12
4.1.2 数据采集子程序 13
4.1.3 液晶显示子程序 14
4.1.4 报警模块子程序 15
4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
.2 网络云平台 15
4.3 上位机软件设计 16
4.3.1 上位机流程图 17
4.3.2 上位机主界面 17
4.3.3 上位机数据采集 18
4.3.4 历史数据的查询 19
4.3.5 数据输出 20
5 系统调试 21
5.1 硬件调试 21
5.2 软件调试 22
5.2.1 节点软件调试 22
5.2.2 上位机软件调试 23
6 传感器参数误差分析 24
6.1 温度传感器DS18B20误差分析 24
6.2 一氧化碳传感器MQ7误差分析 24
6.3 湿度传感器DHT11误差分析 25
结论 26
致谢 27
参考文献 28
附录A 30
1 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
这些年来我国机动车辆的个数增长十分迅速，污染问题尤其是城市交通日渐严重，使我国居民的身体健康收到了非常大的威胁。2016 年1月，我国国家环保部门正式提出全国机动车数量到2014年已达24 577．2万辆，和1980 年相比增加了33倍，使汽车尾气成为了我国空气污染的非常重要的来源之一。随着城市交通不断发展，我国的城市化进程也在一直的推进，也必不可少的引发了一些城市大气污染问题。若要改善城市空气质量，必须加强城市交通汽车尾气的监测。
1.2 尾气检测国内外发展状况
1.2.1 国外汽车尾气检测技术的研究进展
汽车尾气排放法规在欧洲、德国和美国等发达国家实施的比我国都早，因而这些国家也拥有较先进尾气检测设备和较强的尾气检测能力。自从1974年开始，怠速法排放检测制度就在美国被设立。其他一些国家，如英国，德国等国家的一些技术领先的公司开始研发一出了一种红外线气体分析仪。1990 年后，美国提出了IG240的新的工况法，这是在他们不断增强了对IM240工况法的研究并且不断改善ASM工况法的基础之下提出来的。这种新型的工况法成功的把VMAS传感器和底盘测功机结合起来，可以使用多种参数的质量表述尾气的情况。时间来到了1998年，实时的车载排放分析仪在美国环保局的带头下被研究出来，这种分析仪的基础最初是汽车排放检测。两年后，英国的理工学院开始研究的汽车在运行的过程中的排放状态，并且对此提出了跨时代的远程监测系统。这种远程监测系统是通过使用国际顶尖的多数据采取技术以及汽车全球定位技术，从而实现了远程监测汽车尾气的排放。曼彻斯特大学电气学院在一年之后也就是2001年又研究出柴油发动机汽车尾气远程监测系统。研究此柴油机远程监测系统的目的是最大化的消除柴油发动机的汽车在行驶的过程中排放的尾气对环境的影响。2003年，日本、美国、澳大利亚等国家已近开始研究小型的汽车尾气检测装置，这些小型的装置可以安装在汽车上、红绿灯口以及危险的加油站处，从而能够把监测汽车尾气所需要的成本降低。目前，欧洲以及美国等发达国家研究的汽车底盘测功机，在全球的知名度已近很高，并且也有了很多知名的生产公司。但虽然新型的汽车底盘测功机还存在着成本代价过高、使用难度太大以及测试系统体积过大等一系列的问题，使它的测量的精度有了很大的进步。目前，经过一系列的研究和发展，几代产品的过度，美国生产的SEMTECH系列以及日本研究的OBS等汽车尾气的检测系统已经得到了国际的广泛认可。
1.2.2 我国汽车尾气检测技术的研究进展
我国的汽车尾气监测设备在2003年之前使用的大部分都是外国进口的先进设备，国内研究的一些设备远不能达到使用需求。在2003年之后我国的车辆尾气排放法规被制定并被严格执行，这才开始了我国的车辆尾气监测系统的发展。国内在2003年之前自主研发的尾气监测系统基本没有，国内的主要研究机构的主要的技术要求是对国外的先进设备进行汉化使用，满足居名的需求。2003 年，万峰是天津大学电子工程学院的教授，自主研发了一种不但能够实现在线监测并且还能把检测的参数信息实现共享的一种基于AOTF的车辆尾气远程监测系统，这是一种值得研究的方法。2004 年，中国科学院实验室在2004年研究的实时监测汽车尾气仪能够实现在线监测汽车尾气中的多种污染物，例如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物等，这种分析仪所采用的原理是紫外差分吸收光谱原理，采用了调谐二极管激光器吸收光谱的新技术。由于这种监测系统完全是自主研发，打破了国内这类技术的空白，拥有比较完整的自主产权，并且为之后我国的汽车尾气远程监测系统开发了一条新的道路。新型便携式车辆尾气监测设备由华中科技大学的陆三兰教授在2006年研制出来。它将红外气体传感器和商用的一氧化氮和氧气传感器相结合。这种便携式的尾气检测系统不但能够实现对碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳、氧气、一氧化氮等汽车尾气污染物的实时监测，并且它的监测的参数值非常精确，得到国内很多人的认可，它的实际应用效果很突出，因此成为了我国车辆尾气远程监测的重要工具，两年之后在青岛科技大学任职的李海涛教授，自主研制出了一种车辆尾气远程检测数据管理系统，对那些含有碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳、氧气、一氧化氮、烟度等汽车尾气污染物的汽车信息采集、私人权限、用户管理等一系列的功能，从而实现了汽车尾气环检部门的电子信息化，部门管理化，这是汽车尾气检测部门的进一步创新。目前，国内的汽车尾气检测系统已经趋于多元化，客户的选择也日渐多样化，国内的企业部门所生产的尾气监测设备如底盘测功机满足检测需求，型号多样，国内自用有余。我国的许多城市都使用先进的汽车尾气遥感监测设备，但随着装有三元催化转换器车辆的不断的增多，这种设备的检测结果因车辆的行驶状况影响较大被逐渐忽略。随着计算机技术的快速发展，以及车辆自动识别技术的提出，已近研发出了一些可以放置在道路或者汽车上的可以移动的小型汽车尾气远程监测系统，但是由于其推广度不高尚未广泛应用。我国国内对汽车尾气检测系统的研究还主要在理论研究上，而国外许多国家的尾气方面的研究在应用领域也已经达到了一个很高的程度。近年来虚拟仪器的发展迅猛，计算机网络的研究也已经不断深入，我国的汽车尾气排放监测技术所要研究的内容也越来越多，最突出的又如GPS技术在汽车上的应用、基于无线传感器网络的汽车尾气在线监测以及无线传输系统的研发等。
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