摘 要

随着经济的飞速发展与科技的迅速腾飞，人们的寿命延长、生活条件越来越好，对健康投注的关注也越来越多，这对家居环境也提出了更高的要求，一个舒适、便捷、安全的家庭环境符合很多人的期望，家居智能化控制已经成为了一种必然的的趋势。物联网技术的飞速发展为家居智能化进步提供了非常重要的帮助，更加人性化、智能化的家居服务已经成为了可能，而环境监测是家居智能化过程中最重要的一环，及时获取自己所居住的环境中会影响我们健康舒适地生活的相关参数，在某些参数超标时及时采取一些措施来避免可能对我们的健康造成的危害，可以让我们在学习工作之余享受更加健康舒适的生活。

基于环境监测工作的实际需求，本文针对家庭环境，基于简单方便、低功耗、低成本的原则，设计并实现一套智能家居环境监测系统。该系统通过各式各样的传感器，将采集到的周围的环境的信息转化为电信号传送给单片机，由单片机将信号处理过后通过串口上传至PC端，工作人员在PC端上能够实时查看系统采集到的传感器所在环境的一氧化碳浓度、PM2.5浓度、挥发性有机化合物浓度、温湿度等信息。该系统在硬件方面主要由传感器和单片机组成构成主体部分，软件方面则使用C语言来编写程序代码、使用Keil软件来完成编译，以此来实现各个功能。

关键词：智能家居；环境监测；单片机

Abstract

With the rapid development of economy and the rapid development of science and technology, people’s life expectancy and living conditions are getting better and better, and there is more and more attention to health betting. This also puts higher requirements on the home environment, a comfortable, The convenient and safe home environment meets the expectations of many people, and intelligent home control has become an inevitable trend. The rapid development of the Internet of Things technology has provided very important help for the progress of home intelligence, more humane, intelligent home services have become possible, and environmental monitoring is the most important part of the process of home intelligence, timely access to their own The living environment will affect the relevant parameters of our healthy and comfortable life. When certain parameters are exceeded, we will take some measures in time to avoid possible harm to our health. This will allow us to enjoy more healthy and comfortable while studying and life.

Based on the actual needs of environmental monitoring work, this article aims at home environment, based on simple and convenient, low power consumption, low cost principles, design and implementation of a smart home environment monitoring system. The system uses a variety of sensors to convert the collected ambient environment information into electrical signals for transmission to the SCM. After the signal is processed by the SCM, it is uploaded to the PC through the serial port. The staff can view the system on the PC side in real time. The carbon monoxide concentration, PM2.5 concentration, volatile organic compound concentration, temperature, humidity, and other information of the collected sensor environment. The system is mainly composed of sensors and single-chip microcomputers to form the main part in terms of hardware, while the software uses C language to write the program code and use Keil software to complete the compilation, in order to achieve each function.

Key Words：Smart Home；Environmental Monitoring；MCU

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的及意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.3 论文架构 3

第2章 系统结构设计 4

2.1系统设计平台 4

2.2系统总体架构 4

2.3 系统子模块设计 5

2.3.1 DHT11温湿度传感器 5

2.3.2 MQ-7一氧化碳传感器 7

2.3.3 MQ-135空气质量检测传感器 9

2.3.4 GP2Y1014AU粉尘传感器 11

2.3.4 串口通信模块 13

2.3.5 模数转换模块 13

第3章 系统软件实现 15

3.1 温湿度模块实现 15

3.2 空气质量检测模块实现 18

3.3 粉尘检测模块实现 18

3.4 串口通信模块实现 19

第4章 结论 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

随着社会的发展，家庭生态环境日益受到人们的重视，人们希望自己的家居环境越来越舒适、人性化、智能化，智能家居这一概念也就随之诞生。然而诸如可见光污染、空气质量、环境噪音、生产生活垃圾、水污染、重金属超标等问题却极大地影响着人们的健康生活，适宜的温湿度能让人感到舒适，而超标的PM2.5、新装修的家居中超标的有害气体却严重损害人体健康，严重点甚至会导致各种疾病和折损寿命。现在的恶劣环境事件越来越多，空气污染不断加剧，一些城市的雾霾状况也一直备受人们调侃，这些状况直接反映了空气质量状况出现了问题，那么我们最常生活的室内空气的质量就更加让人忧心。由于空气中的有害气体大多是无色无味的，因此除非空气污染已经严重到一定程度，否则很难直观地感受到空气质量状况，所以对家庭生态环境的监测变得十分重要。因此，作为智能家居下属的一个分支，智能环境监测也一直备受人们的关注。与此同时，相关科技的发展以一种让人瞠目结舌的速度迅猛发展，高速发展的科技也使得环境监测的方法不断改进，尤其是有了计算机系统的帮助环境监测方式如虎添翼，变得更加的方便、快捷，广泛应于日常家庭生活的诸多方面。因此，控制室内温湿度、有害气体浓度等影响空气质量的因素对于智能家居来说就显得比较关键了。而当代材料学的发展也使得传感器技术随之迅猛发展起来，这也为解决这个问题找到了突破口，运用单片机配合传感器实时采集环境数据并进行处理可以对室内空气状况实现自动控制。而对环境的智能检测就是这个目标的第一步，这也就是本文所要完成的课题。

本文旨在设计并完善一款智能环境监测系统，能够完成对于前端设备所处环境的空气中的温湿度、PM2.5浓度、一氧化碳浓度、挥发性有机化合物浓度等会影响人们生活和健康的因素的测量，让生活于其间的人们能够清楚地意识到这些看不见的问题，从而采取措施，规避其有可能带来的风险、提高自己居住环境的舒适度，让家庭生活的环境更加的舒适友好，让人们的生活更加舒心。

1.2 国内外发展现状

在1984年，美国建立起世界上第一个智能建筑，那就是智能家居的雏形，随后在许多发达国家智能家居得到了更多的应用。智能家居系统在欧美国家的发展十分迅速，同时这些国家的例如IBM公司的“家庭主任”、微软公司的“梦幻之家”、摩托罗拉公司的“居住之门”等一些知名公司也长期占据了智能家居的市场。而国内的智能家居行业起步较慢，在早期完全依赖进口。随着市场的变换，人们发现了智能家居市场的巨大潜力，国内越来越多企业开始研究智能家居，国内的一些品牌开始崭露头角，智能家居已经渐渐成为了一种趋势，越来越多的人才被其所吸引，更多的财力物力被投入到这一领域，并且近些年来物联网技术的迅猛发展更是为智能家居这一领域的进步提供了无穷的动力，可以预见在未来的一段时间里，这一行业必然展现它的磅礴生机。

而在智能环境监测领域，高度的智能化的环境监测工作已经在欧美日韩等很多发达国家里成为了现实，诸如家庭传感网络中的HomeRF协议或者物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的ZigBee协议等等各种无线局域网协议已经普遍应用于环境监测系统中^[1]。包括家庭安防、环境监测设备控制、信息管理等诸多功能在内的智能家居系统在发达国家的普通家庭都已经普及开来，智能家居系统各类设备设施的控制管理一体化已经相当明显，环境监测工作的进一步自动化、智能化将是必然的发展趋势。从国内的发展现状来看，环境监测的智能化同样越来越受到社会各界的重视，以大家都比较关注的建筑物安防环境来说，大家的隐患意识在诸多事件的报道中逐渐加强，人们对商用和民用的建筑提出了更高的要求，这就对环境监测领域的工作做出了更高的要求。我国现在以家庭网关为核心的整体系统已经能够实现，而随着物联网、云服务、大数据、移动终端等等互联网相关科技迅速发展的带动，家居产业逐步的奔向了以大数据和云服务为主的产业模式，对操作系统进行改造升级是之变的更为优越来设计改造更为完备的硬件底层，更好的网络、服务器、无线网技术为其提供更为优越的网络服务，通过智能终端来进行合理数据阐释，这是家居未来的方向^[2]。总的来看，环境监测工作更加高效智能化是当今社会发展的必然趋势。

但是，即便是在智能环境监测领域高速发展的现在，许多问题也依旧存在。例如很多环境监测工作都由后台数据库服务器与前端数据采集设备组成，前端数据釆集设备为了采集效果大都分布在实际环境的各个角落中以保证数据更为精确有效，但这也导致了一个问题，一个单片机只能同时完成对一个角落的环境信息采集，想要得到完善的信息就必须使用多个单片机共同作为系统的前端数据采集节点，但是这样一来我们就不得不面对一个问题，每个角落的环境信息只能由该角落的单片机单独处理，但是这样会出现一个状况那就是诸多单片机同时上传信息并把信息存储到数据库服务器中。这样一来，环境监测工作显得比较分散，很难做到综合控制、统一管理，因此环境监测工作很容易出现混乱的情况^[3]。与此同时系统的另一个局限性也暴露出来，前端数据采集节点使用单片机作为硬件处理核心，那么单片机本身的性能就限制整个智能环境监测系统的性能，操作系统、单片机硬件和数据采集模块也限制了软件功能的发挥。而且一旦缺少强大、便捷、流畅的无线网络的帮助，系统的性能也极大地受到了影响^[4]。

不光如此，随着要进行检测的具体环境的改变，要釆集和处理的信息也要改变，在一些场所有着对于数据参数的不同的安全指标，这也就意味着针对很多特殊场合都需要重新设计与之相对的前端数据采集板，并且要重新设定指标，也就是说要把硬件和软件重新设计一遍，这样软硬件的可重用性就完全没有发挥出来，对人力物力的消耗太大，无法实现方便便捷的需要^[5]。综上所述，如果要克服这些缺点，那就必须要设计与实现一套全方位多层次宽领域，并且处理功能强大的智能环境监测系统，对环境监测工作进行综合处理、统一控制，才能确保环境监测工作更加协调有序的工作^[6]。

1.3 论文架构

本论文大致上分为两个部分，一个部分是硬件的设计，这一部分需要各种各样的模块去实现预期的功能；另一个部分是软件部分，这一部分需要编译代码来统合单片机和各个模块以完成设计。

该论文共分为四个章节，每一章节大致内容如下：

第一章为绪论，阐述了课题研究的目的与意义，国内外发展现状，以及论文的总体结构。

第二章为系统结构设计，该章节先分别介绍了系统的设计平台和系统的总体结构，然后介绍了要实现设计功能所需的各个模块、他们的工作原理，为编译代码提供依据。

第三章为系统的软件实现，该章节主要介绍了针对各个模块编译的代码。

第四章为结论，该章节总结了课题的研究状况以及在完成了设计后的总结与反思。

本系统是严格按照软件工程的思想来完成。首先严格的分析实际需求与现在已经具备的基础条件，并在分析的过程中确定系统所需要的硬件模块；然后此基础上设计好系统的大体框架，并以此为基础参照着各种细节设计好系统的详细框架；接下来依照设计过程编写合适的代码来实现整个系统的功能，最终完成系统测试并展示系统的功能。

第2章 系统结构设计

该系统在实现过程中涉及到了广泛的软件开发技术。从总体层次结构上可以分为两底层嵌入式硬件部分和应用软件部分。底层嵌入式硬件部分主要体现在要实现系统的功能就必须得具备为实现各个功能而准备的子模块，并且还要将它们联结起来协调工作；应用软件的功能主要集中于针对各个子模块要参考他们的工作原理设计并编写相应的代码使整个系统能够正常工作。系统拟采用51系列的单片机为数据采集节点的MCU，将通过空气质量测量模块、日产VOC、温湿度传感器、一氧化碳检测传感器等各式传感器定时采集到的模拟信号进行数据转换后通过串口通信模块利用无线网上传至电脑^[7]。

2.1系统设计平台

本次设计采用C语言作为主要的编程语言。在对代码的编译方面选择采用Keil C51软件进行编译。Keil C51软件是美国ARM公司出品的支持8051系列单片机架构的功能强大、适用宽广的一款集成开发环境^[8]。该软件为研究人员编译代码提供了巨大的帮助，它提供了非常丰富发的库函数，使研究人员免于重复编译的苦恼，此外，他还提供了功能强大的集成开发调试工具，方便了研究人员的编译过程。虽然Keil C51软件默认不支持STC单片机，但是Keil C51软件支持对AT89S52单片机的编译，而本次设计采用的是STC89C52单片机是AT89S52的增强版，可以兼容AT89S52的引脚和指令系统，因此可以用Keil C51软件对AT89S52单片机的编译来达到编译STC89C52单片机的目的^[9]。在Keil C51对已经编写好的完善的代码编译过后，会生成一个HEX文件，这就是能够烧录进单片机并被单片机理解和执行的文件，将其用烧录软件烧录进入单片机后，单片机就可以按照代码工作。

2.2系统总体架构

本系统包括应用软件部分和嵌入式硬件部分。嵌入式硬件部分应包含作为核心处理器的单片机和为实现课题要求的功能所服务的各个子模块，系统的各个子模块部署在所要检测的环境的各个角落，通过自身机理与对周围环境的交互作用得到自身模块所要求测量的数值，然后将接触到的自身所负责的环境信息转换为电信号经过处理后上传至作为前端数据采集节点核心的单片机，单片机接收到数据并将数据处理后按照指令将数据上传至PC端。工作人员在PC端通过软件可以实时监控环境质量问题。应用软件部分则负责联结整个系统，充分调动各个模块的功能，保证整个系统能够正常协调地工作，使整个系统能够成为一个整体。

2.3 系统子模块设计

系统想要完成课题预设的功能离不开很多子模块的帮助，其需要子模块的支持以提供相应的功能，本系统的子模块包括粉尘检测模块、一氧化碳检测模块、挥发性有机化合物检测模块、温湿度检测模块。这些模块以单片机为核心，在软件的指引下，协调有序的工作，共同完成整个系统预期的功能。

2.3.1 DHT11温湿度传感器

DHT11传感器是一款能够直接输出所处环境的温度信息和湿度信息的数字信号的温湿度复合传感器。因为输出的直接就是数字信号，所以DHT11数字温湿度传感器的数据输出端口能够直接与单片机相连接。传感器通过其中包含的电阻式感湿元件和NTC测温元件来感测温湿度。对于传感器的校准需要在极为精确的湿度校验室中进行，而校准所产生的校准系数在OTP内存中以程序的形式储存以供传感器内部在检测信号的处理过程中调用这些校准系数^[10]。DHT11原理图如图2.1所示。DHT11接口设置如图2.2所示。

图2.1 DHT11原理图

图2.2 DHT11接口

为DHT11提供3－5.5V的电压以使其正常工作，然后等待一秒以等待其稳定下来。在这个时候DHT11的数据输出端口一直保持高电平。当要开始测量温湿度时，主机把总线拉低至少十八毫秒保证DHT11能检测到主机给予的起始信号来等待DHT11响应，在此之后延时等待20-40微秒，等待DHT11的响应信号。当DHT11接收到主机发来的信号后便从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，然后发送八十微秒的低电平响应信号准备发送数据，每一比特数据都以50微秒低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1，具体形式如图2.3和图2.4所示。响应阶段DHT11数据输出端口的电平如图2.5所示。当最后一比特数据发送完，DHT11拉低数据端口的电平50微秒，最后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。而整体的通讯过程如图2.6所示^[11]。

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