论文总字数：29214字

摘 要

本文主要阐述了微环境参数实时监测系统的软硬件的开发和设计过程。此微环境参数实时监测系统实际是一个小型的“物联网”系统。本系统所实现的功能是：树莓派控制传感器采集周围环境的温湿度、气压、海拔、PM2.5和PM10浓度数据，通过网络通讯模块存储在阿里云服务器上的MySQL数据库中，再利用Web网页和安卓App的方式去实现数据展示和绘图的功能，可以让用户方便地查询到各环境参数变量的实时数据。相比于传统的气象站等环境监测系统，本系统的优点在于：体积小、实时性好、可移动性强、价格低、可以对特定环境实现检测。

首先，本文介绍了微环境监测系统的国内外研究现状，因为传统气象站的不可移动性、对于地理环境要求高，所以设计了微环境监测系统使得监测的范围更加精确，监测的方式更加灵活多样。其次介绍了整个系统的设计方案和思路。在硬件部分，利用树莓派软件驱动传感器执行数据采集功能。在软件部分，主要是分为几个模块：通讯模块、数据库存储模块、Web网页模块以及安卓App模块。最后，分别对系统的软硬件部分进行调试与展示，对调试结果进行分析，验证了整个系统的可行性与合理性。

关键词：树莓派 物联网 微环境监测 云端存储 多终端查询

Design of micro-environment monitor system based on raspberry PI

Abstract

This article mainly expounds how to design the micro-environment parameter real-time monitoring system, which contains software and hardware development and design process. The real-time monitoring system of micro-environment parameters is actually a typical application of "Internet of things" system. Functions of this system is: through the raspberries PI controls sensors to monitor the surrounding environment, achieve temperature and humidity, pressure, altitude, PM2.5 and PM10 concentration data, stored in a MySQL database on the Ali cloud server, and then through the Web and android App way to implement the data display and mapping function, allows users to easily achieve the real-time data of the environment parameter variables. Compared with the existing environmental monitoring system such as weather station, this system has the special benefit of small size, good real-time performance, strong mobility and low price.

Firstly, this article tells the research situation of the micro-environment monitoring system at local and abroad, Due to the immobility of traditional weather stations and the high demand for geographical environment, we designed a micro-environment monitoring system to make up for this deficiency. Then, give the whole design idea of the system. In the hardware part, the raspberry PI software is used to drive the sensor to perform the data acquisition function. In the software part, it mainly contains some parts: communication part, database storage part, Web page module and android App module. Finally, the hardware and software parts of the system were debugged and displayed respectively, and the debugging results were analyzed to verify the feasibility and rationality of the whole system.

Key words: raspberry PI ; IoT ; micro-environment monitor; Cloud storage; Multi-terminal query

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 引言 1

1.1 微环境监测研究背景 1

1.2 环境监测研究现状 1

1.3 课题主要工作内容 3

第二章 系统硬件设计与开发 4

2.1 微环境监测系统总体设计方案 4

2.2 硬件总体设计方案 4

2.3 主控模块树莓派 5

2.3.1 树莓派开发环境搭建 6

2.3.2 远程树莓派 6

2.4 温湿度模块硬件设计 7

2.4.1时序 8

2.4.2数据格式 9

2.5 气压海拔模块硬件设计 9

2.5.1 BMP180工作模式 12

2.5.2 校准系数 12

2.5.3 命令控制字 13

2.5.4 计算压力和温度 14

2.6 PM模块硬件设计 15

2.6.1 数据帧格式 16

2.6.2 PWM原理 17

2.7系统控制软件的设计 18

2.7.1 嵌入式控制的总体流程 18

2.7.2 DHT11的程序设计 18

2.7.3 BMP180的程序设计 20

2.7.4 SDS011的程序设计 21

第三章 系统软件设计与开发 22

3.1应用软件总体设计方案 22

3.2数据通讯和存储模块 23

3.2.1 数据通讯模块 23

3.2.2 数据库模块 23

3.3 Web模块 26

3.3.1 Web工程流程图 26

3.3.2 前端Java页面设计 28

3.3.3 Servlet层设计 28

3.3.4 数据库业务层设计 29

3.3.5 数据库连接层设计 29

3.3.6 封装数据层设计 30

3.3.7 部署Web工程 30

3.4 App模块 30

3.4.1 App开发流图 31

3.4.2 部署配置文件 31

3.4.3 安卓生命周期 31

3.4.4 页面设计 33

3.4.5 下载到手机 35

第四章 调试与测试 37

4.1 实现效果描述 37

4.2 系统硬件测试 37

4.2.1温度、湿度、气压、海拔读取测试 37

4.2.2 PM读取测试 37

4.3系统软件测试 38

4.3.1 Web网页测试 38

4.3.2安卓App测试 41

4.4测试总结 43

第五章 总结与展望 44

参考文献 45

致谢 48

第一章 引言

微环境监测研究背景

时代是向前流动的，技术是不断发展的。人们获得信息、处理信息、利用信息的技术水平不断提高。信息的组成有很多种，但是最直观、最适合处理研究、最具有利用价值的就是数据信息。我们生活的环境由许多要素组成：温度、湿度、光强、海拔、气压、空气质量等等，这些环境变量的改变与人类的生产生活息息相关，如果能够精确地获取这些环境变量的参数，实时快速得掌握环境变量参数的变化趋势，就可以让环境要素为我们所用。在当前的环境监测系统中，最常见的就是气象站，全国各个城市都有几十个到几百个大小规模不一的气象站，就拿南京来说，南京有107个自动气象站，但是气象站的位置的固定的，因此它只能采集特定位置的数据，而且气象站的建立需要考虑具体的地理环境因素，特别是在山区或者边远地区没有设立气象站的地方，对于某一地点处的环境数据监测就变得困难。所以需要研究发展新的环境探测技术。全球科研机构都在研究更加适合使用需求的监测环境技术，可以使得采集终端能够自主采集周围的环境参数数据，自动传输到云端数据库进行存储，从而能够实现人们实时的观测某一特定地点环境数据的功能。如何设计出方便移动且体积小、精确度高的微环境监测系统就显得越来越重要。微环境参数实时监测系统可以有效弥补在某些环境恶劣的地区不能建立气象站监测环境参数的缺点，使得环境参数的监测范围变得更加广泛、灵活，参数的准确性、时效性、可见性大大提高，也可靠地保证了多个领域的研究发展。

1.2 环境监测研究现状

在如今这个越来越强调可持续发展的时代，人们对于环境的研究越来越深入，环境不仅仅对我们的日常生产生活起着重要的影响，同时，也与经济息息相关。有效利用环境造福于民和产生巨大经济效益的第一步也是最重要的一步就是获取环境的变量参数，比如说最基础的有某地的温度值、湿度值、气压值、空气质量指标等等，只有有效得获取这些数据，把这些数据加以存储，观察各个指标的动态变化规律，才能有效得利用这些数据，实现最大的经济和社会利益。

各个国家对于环境的监测工作都投入了大量的人才和资金。在环境监测系统的研究方面，我国与发达的欧洲国家以及美国之间是存在不小的差距的。在20世纪的70和80年代，中国获取环境参数依然需要通过人工测绘的方式，而此时的欧洲国家和美国已经将环境数据的采集设备进行批量的生产以及投入市场进行高效的应用了。环境监测系统的更新在20世纪90年代最为显著，到了下一世纪，随着计算机技术的兴起以及自动化技术的不断发展，使得系统的性能不断优化。美国、德国、日本等发达国家研发和制造的环境监测系统性能优越、功能强大。其特点是：扩展性好、重组性强；IO口数量多，功能多样；软件规范，具有实时性；还可以自我修复、自我校正、自我诊断。

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