论文总字数：40595字

摘 要

空气质量监测系统（Air Quality Monitoring System），是一种利用传感器、物联网等技术实时测量各类空气参数的系统。当今社会对空气质量检测的需求越来越高，一方面是因为空气质量的不断恶化，另外一方面也有人们生活水平提高、环境意识增强的因素；此外，人们在室内呆的时间越来越长，而室内空气环境却因为装修或通风不畅等因素越来越差。在这样一个背景下，设计一个小型化、智能化的嵌入式空气检测系统尤为重要。基于此，本文设计了一套空气质量检测系统，部分解决了现有产品存在的问题。

本文的工作主要为设计了一个空气质量监测系统，该系统主要包含以下部分：传感器模块、ESP8266无线模块、LCD显示模块、数据处理模块和主函数模块。其中，传感器模块由DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器和甲醛模块组成，主要起到初步采集空气数据的作用；ESP8266模块作为系统的发送、接收数据部分，主要负责把数据从硬件传递到终端，起到软硬件数据交流的桥梁作用；LCD显示屏起到显示相关内容的作用，使得采集到的数据能够以更直观、实时的方式呈递在用户眼前；数据处理模块是对采集到的原始数据进行处理，从而消除一些存在的采集偏差，使得数据更加逼近真实值；最后的主函数模块则是将各个驱动文件整合，并根据需求使用不同的模块。经过实物测试，本系统不仅能够完成基本的空气质量监测工作，而且具有采集数据准确丰富、用户可以通过手机APP远程操控等优点

本系统同样存在着一些不足和可以改进的地方。首先，本空气质量监测系统在稳定性方面还可以加强；此外，当下机器学习和大数据的技术正在飞速发展，运用在各行各业中。这些算法也可以通过改进，运用在我们的这套系统中。比如，给定一组当地的天气数据值，让机器自己去学习当地天气的特性，从而得到更准确的数据结果。这些算法如今在软件部分都是可实现的，然而如何可靠地将其应用于我们的硬件系统，是今后可以加强的一个方向之一。

关键词：空气质量监测系统，传感器，物联网

Abstract

Air quality monitoring system is a real-time tool for measurement of various air parameters using techniques like sensors and Internet of Things. Nowadays, demand for air quality is getting higher. For one thing, it is due to the deterioration of air quality; for another, the improvement of people’s living standards also counts. Therefore, this paper aims to design an air quality monitoring system, which could partially deal with existing deficiencies.

The main work of this paper is to design an air quality monitoring system including following parts: sensor modules, ESP8266 wireless module, LCD display module, data processing module. To be specific, sensor modules consists of DHT11, MQ-2 and ZE08-CH2O module, which plays the role of preliminary data acquisition; ESP8266 module works to send and receive data; LCD display screen plays the role of displaying relevant content, making it possible for the system to display data so that the collected data can be presented to the user in a real-time way; the data processing module is to process the original data so as to eliminate acquisition deviations and make the data closer to the real value; the final main function module is used to integrate the driving files. After physical testing, the system can not only complete the basic air quality monitoring work, but it also has the advantages of accurate data acquisition and remote control by mobile APP.

The system also has some shortcomings which need further improvement. Firstly, it can be strengthened in terms of stability. In addition, since techniques like machine learning and big data have been developing rapidly, we can apply these algorithms in our system. For example, given a set of local weather data values, the machine can learn the characteristics of local weather by itself so as to achieve more accurate data results. Currently these algorithms are realizable and accessible, but how to apply them reliably to our hardware system is one of the directions that we can study in the future.

KEYWORDS: Air Quality Monitoring System, IoT Devices, Sensors

目 录

摘 要 I

Abstract I

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.1.1项目背景 1

1.1.2项目研究意义 2

1.2空气质量检测系统研究现状 2

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 3

1.2.3空气质量检测系统存在的问题 3

1.3课题任务与主要工作 4

第二章 系统方案设计 6

2.1需求分析 6

2.2方案设计 6

2.3本章小结 9

第三章 硬件分析及设计 10

3.1核心处理器规划 10

3.1.1嵌入式处理器简介 10

3.1.2本系统处理器选型 12

3.2硬件模块选择 13

3.2.1 MQ2气体传感器 14

3.2.2 ZE08-CH20甲醛传感器 19

3.2.3 DHT11温湿度传感器 21

3.2.4 ESP8266无线WIFI芯片 23

3.3电路设计 23

3.3.1传感器模块电路 24

3.3.2 WIFI模块电路 24

3.3.3显示模块电路 26

3.3.4声光报警模块电路 28

3.4本章小结 28

第四章 软件分析及设计 30

4.1软件设计概览 30

4.2主函数模块 31

4.3传感器模块 31

4.3.1 DHT11温湿度传感器 31

4.3.2 MQ-2及甲醛传感器 35

4.4 ESP8266模块 36

4.4.1硬件发送端设计 36

4.4.2手机APP设计 37

4.5 LCD显示模块 39

4.6数据处理模块 40

4.7本章小结 42

第五章 硬件测试 43

5.1系统稳定性、温湿度、烟雾浓度测试 43

5.2甲醛传感器测试 46

5.3本章小结 46

第六章 总结与展望 47

6.1总结 47

6.2展望 47

参考文献

致 谢

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

空气质量监测系统（Air Quality Monitoring System），顾名思义，即使用各种传感器实时监测空气质量，让使用者知悉自己周围的空气状况。空气质量检测系统是传感器、中央处理器、物联网等各类技术的融合，优秀的空气质量检测体系不仅能够精确测量空气质量，更能智能化地提示人类的生活。伴随着环境的恶化和生活水平的提高，以及物联网等各项技术的发展、完善，空气质量监测系统必将在社会中扮演更重要的角色，成为生活中不可分割的一部分。

1.1.1项目背景

近年来，由于钢铁工厂、纺织业等轻重工业的发展，外加每年季节性的焚烧等活动，使得空气质量持续恶化。有科学研究表明，恶劣的空气环境是人类健康的一大杀手，它所能引起的疾病包括但不限于气管炎、肺癌等 ^[1-2]。因此，为了减少得病率，给人们提供一个安心的空气环境，研究、检测和改善空气质量刻不容缓^[3]。

另外，人们物质生活水平进步的同时,对室内环境品质有着越来越高的要求。造成这个现象主要的原因便是出于工作和生活的原因，人们处于室内的时间越来越长，因此室内空气质量也对人的健康有着重要的影响，然而，由于室内通风不畅、空调过度使用等原因，室内空气的污染指数要比室外更加严重，今年曾经引起轩然大波的自如租房事件便是该类事件的体现之一。

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