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作者：洛阳理工学院 秦勇 袁少兵 闫相伟
指导教师：舒云星 张焕龙

　　作品简介　　

　　目前空气污染也成为人们日趋关注的焦点。晨练时不宜在空气污染严重的地方锻练。造成空气污染的原因很多，其中有汽车尾气、粉尘、工业区排放的有害物质、冬季供暖释放的二氧化硫等。人们在如此环境中跑步、散步、做操、练气功等久之必会损害身体健康。老年人是晨练最大的群体，而老年人抗寒、抗病毒、抗污染物侵害的能力相对较差，所以检测他们的活动范围内的有毒有害气体和可吸收颗粒物的含量并预测他们活动范围内的具体的天气情况就显得非常重要。那么常常进行户外运动的你担心过自己的身体健康吗?空气中是含有对身体不利的成分?温湿度、紫外线、粉尘?究竟应该选择那种运动才会有里健康?不适宜的运动项目不但达不到预期的效果，而且还会影响身体健康。所以“空气分析师”应运而生。
　　结构：
　　本作品由七个部分组成，分别是检测降雨及紫外线部分，检测温湿度部分，检测粉尘部分，检测液化气及有毒气体部分，检测光照强度部分，协调器收发部分以及单片机处理显示部分。
　　功能及使用：
　　本作品可以用来检测局部空间中的空气环境，填补了天气预报只能预报大面积地区的空白，可以给厂房环境及居住环境提供实时检测。本作品使用方便，各检测部分由干两节AA电池供电即可，方便移动，使用时，只要依次打开各个模块的开关，检测数据就能够直接显示在TFT彩屏上，方便快捷。

　　平台选型说明　　

　　本作品采用zigbee无线传输模块CC2530和传感器，进行数据的采集和传输，将采集到的信息全部传输给协调器，协调器通过串口TXD传给单片机RXD，单片机将数据进行处理，通过TFT彩屏将检测到的数据显示出来。CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530 有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

　　设计说明

　　设计方案：
　　1.总体介绍
　　该作品是以STC15F2K61S2为开发平台，采用zigbee无线发送技术接收各传感器检测的环境数据变量，然后将这些数据通过zigbee无线发送给协调器，协调器通过串口传输给STC15F2K61S2，经过数据处理后在彩屏上显示相关数据，如果环境中某含量达到潜在危险值时彩屏上的数据会以不同的颜色显示，并且通过语音模块报警同时通过GSM(全球移动通信系统)给用户发短信。
　　总体设计流程图如图1—1：　　

　　总体电路图如图1—2、图1—3：　　

　　2各模块简介：
　　人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。 而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。
　　传感器是一种检测装置，通常由敏感元件和转换元件组成。它能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，是实现自动检测和自动控制的首要环节。
　　2.1传感器模块
　　Ⅰ、粉尘传感器简要说明：
　　1. 加热器：模块内置一个加热器，热引起上升气流使外部空气流进模块内部。
　　2. 检测的粒子类型：此模块被设计成可以检测 1μm 以上粒子，如香烟、房屋灰尘、霉菌、花粉、孢子。
　　3. 安装： 必须垂直安装;远离人工气流如风扇，如当用于空气清新机时，风扇的前方和后方都不能安装，可任选外壳一侧安装，但外壳上要保留通风口以保证外部气流可以流进来;注意安装时要避免粘性粒子如油类进入模块，当这种粒子粘在光学部件上将会产生故障。
　　4. 当模块受潮湿将会影响它的正常功能，因此应避免受潮。
　　5. 透镜：透镜需要视环境状况隔一段时间进行清洁，约 6 个月一次。清洁时用棉签一头醮清水轻擦，然后用另一头擦干。不可以用酒精等有机溶剂擦拭透镜。　　

　　Ⅱ、可燃气体传感器简要说明：
　　1. 尺寸：32mm X22mm X24mm 长*宽*高
　　2. 主要芯片：LM393、MQ-2气敏传感器探头
　　3. 工作电压：DC 3.3-5V
　　特点：具有信号输出指示;双路信号输出;(模拟量输出及TTL 电平输
　　4. 出) TTL 输出有效信号为低电平,可接直接接单片机 IO 口;模拟量输出 0~5V 电压，浓度越高电压越高;对液化气、丁烷、甲烷、烟雾等有较好的灵敏度;使用寿命长、稳定性好;具有快速响应恢复特性。
　　5. 应用： MQ2烟雾检测传感器适用于家庭或工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等监测装置，探测可燃气体、烟雾 300 to 10000ppm　　

　　Ⅲ、有毒气体传感器简要说明：
　　1. 尺寸：32mm X22mm X30mm 长*宽*高
　　2. 主要芯片：LM393、MQ135气体感应探头
　　3. 工作电压：直流 5V
　　4. 特点：1、具有信号输出指示灯指示; 2、双路信号输出(模拟量输出及 TTL 电平输出); 3、TTL 输出有效信号为低电平;(输出低电平时信号灯亮，可接单片机 IO 口)4、模拟量输出随浓度增加而增加，浓度越高电压越高; 5、对硫化物、苯系蒸汽、烟雾等有害气体具有很高的灵敏度; 6、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性; 7、快速的响应恢复特性; 8、带安装孔，方便固定安装; 9、探头可以插拔设计，方便试验。
　　5. 应用： 用于家庭、环境的有害气体探测装置，适宜于氨气、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、烟雾等气体有害气体的探测,气体敏感元件测试浓度范围：10 to 1000ppm　　

　　Ⅳ、紫外线传感器简要说明：
　　1. 专为需要高可靠性和精确性测量紫外线指数(UVI) 的场合所设计;
　　2. 适合测量太阳光紫外线强度总量;
　　3. 对照世界卫生组织紫外线指数分级标准
　　4. 检测 UV 波长:200-370nm;
　　5. 响应极快、全互换性;
　　6. 采用具有专利的固体聚合物构造、防水防尘易清洗;
　　7. 线性电压信号输出;
　　8. 小尺寸，适用于移动电话等便携产品;　　

　　Ⅴ、降雨传感器简要说明：
　　1. TTL输出有效信号为低电平.驱动能力80MA左右，可直接驱动继电器，蜂鸣器，小风扇，等等。高电平驱动能力4MA左右。
　　2. 灵敏度可通过电位器调节
　　3. 没有雨时候LED点亮输出为高电平，雨滴上去，输出地电平，LED灭。
　　4. 模拟量输出的电压0-3.5V之间，
　　5. 雨滴板和控制板是分开的，方便将线引出。　　

　　2.2无线收发模块
　　Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，Zigbee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。　　

　　协调器是整个Zigbee网络的核心，负责产生网络信标(Beacon)，控制网络拓补的形成与协调各网络成员的流量。　　

　　2.3彩屏模块
　　手机、数码相机、MP4等数码产品和数字示波器等电子仪器的显示屏都是TFT彩屏。TFT屏是薄膜晶体管型液晶显示屏，它的每一个像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动的，这样不仅提高了显示屏的响应速度，同时可以精确控制显示色阶，所以TFT液晶的色彩更加逼真。由于TFT彩屏的成本日渐降低，并且人们越来越渴望拥有用户友好程度更高的图形界面，因此有越来越多的工程师把TFT显示器设计到他们的产品中去。　　

　　2.4 GSM(全球移动通信系统)模块
　　GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。简单来讲，GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部手机。单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，例如：发送短信，拨打电话，GPRS拨号上网等。　　

　　系统功能主要由四部分组成：环境监测功能、出行建议功能、语音预警及短信提醒功能。下面分别详细的介绍各部分的功能模块。
　　3.1环境检测功能
　　在您需要检测的地点放置的传感器会时刻监测周围环境的变化，并同时把更新的数据传送给zigbee子节点，zigbee子节点处理数据后传送给协调器，协调器再把汇总的各个zigbee子节点的数据进行处理后通过串口发送给单片机，然后利用彩屏动态显示各个环境变化的值，从而实现了动态实时监测环境变化的功能。　　

　　3.2出行建议功能
　　出行建议功能充分体现了该作品的人性化和智能化。根据使用的场合不同，其针对的人群可划分为三类：老人和小孩、工厂职工、娱乐休闲会员。
　　对于老人和小孩这一人群，空气分析师可根据温湿度指标、粉尘含量及有毒气体的含量提出合理的出行建议供用户参考。例如当活动地点温度较低或较高时会提醒老人不宜外出锻炼;当活动地点的粉尘含量较高时会提醒业主尽量不要去活动地点活动或者采取一定的措施例如带口罩。
　　对于工厂员工这类人群，，空气分析师可根据温湿度、粉尘含量及有毒气体的含量提出合理的建议供用户参考。例如当工作环境的有毒气体含量达到潜在危险值时会提醒员工带上口罩确保员工的人身健康;湿度带时不宜进行室外带电作业等。这样也可消除员工内心的顾虑使其安心工作。
　　对于娱乐休闲会员这类人群，空气分析师可根据检测空气中的温湿度、粉尘、紫外线、有毒气体的含量等给出合理的建议供会员参考。
　　3.3语音预警及短信提醒功能
　　当检测的某项环境指标达到潜在的危险值时会通过语音提醒用户并提出合理化建议。例如当小区活动场所的粉尘含量达到潜在的危险值时，空气分析师会语音提醒用户并建议外出时请带上口罩;当职工的工作场所的有毒气体含量达到潜在的危险值时会语音提醒职工工作时注意身体健康并建议带上口罩。　　

　　作品特色

　　天气预报测试的是大范围的情况，不能具体到某个地点，某个时间段。但空气分析师可预测短时间内环境的变化，可以准确的提醒用户室外的情况，比如说下雨了，可以提醒用户收衣服和出门要带伞等，为生活和出行提供方便。
　　在物联网飞速发展的今天，空气分析师可以时刻了解生活环境的真实状况。该产品应用较为成熟的Zigbee无线传输技术、传感器处理技术与GSM技术，将身边环境的细微变化告诉您，让生活更加精致。该产品外部设备可随用户的意愿，监测用户所关心的场所环境，方便移动，该产品应用范围较大，既可以用在用户所住的小区，也可放置在工厂检测工作环境状况，或放在用户常去的休闲会所。
　　根据监测的环境数据，随时提供养生建议和安全提醒，并且根据监测的数据给您推荐合理的、最适合身心健康的户外活动，让用户体验精致生活，关注环境、关注健康，生活工作更安心。
　　目前市场上出售的监测环境的设备大部分为室内的，并且价格昂贵。该产品主要应用于室外，为您的出行提供方便;并且该产品成本低，硬件可移植性强，实时性强，使用范围广。
　　该产品的应用主要有三个方面：小区、工厂、休闲场合。
　　在小区，让您享受精致生活;在工厂，让您工作安心;在娱乐会所，让您尊享高品质生活。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2547