基于PIC32的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

1. 摘要

環(huán)境中空氣質(zhì)量的好壞反映了環(huán)境的污染程度，它是依據(jù)空氣中污染物濃度的高低來判斷的?？諝馕廴臼且粋€復雜的現(xiàn)象，在特定時間和地點空氣污染物濃度受到許多因素影響。來自固定和流動污染源的人為污染物排放大小是影響空氣質(zhì)量的最主要因素之一，其中包括車輛、船舶、飛機的尾氣、工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)排放、居民生活和取暖、垃圾焚燒等。城市的發(fā)展密度、地形地貌和氣象等也是影響空氣質(zhì)量的重要因素。

環(huán)境污染問題一直是困擾大家的一塊心病，其重要原因之一是沒有能夠根據(jù)具體的準確的環(huán)境質(zhì)量參數(shù)采取有效的措施?；诖?，本方案將實現(xiàn)一款準確采集環(huán)境各方面參數(shù)并進行或存儲或傳輸?shù)母哔|(zhì)量環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

2. 技術原理

為了改善環(huán)境空氣質(zhì)量，防止生態(tài)破壞，創(chuàng)造清潔適宜的環(huán)境，保護人體健康，我國根據(jù)《中華人民共和國環(huán)境保護法》和《中華人民共和國大氣污染防治法》制定了《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB3095-1996）。這個標準規(guī)定了環(huán)境空氣質(zhì)量功能區(qū)劃分、標準分級、主要污染物項目和這些污染物在各個級別下的濃度限值等，是評價空氣質(zhì)量好壞的科學依據(jù)。

為了能準確的判斷出環(huán)境空氣質(zhì)量，本設計擬通過各種傳感器采集到環(huán)境質(zhì)量參數(shù)，經(jīng)濾波，去噪等算法處理后綜合得出質(zhì)量等級。將此等級與B3095-1996進行對比即可大概判定質(zhì)量好壞。

一方面，主控制器通過IO接口控制溫濕度傳感器、紫外線傳感器、空氣質(zhì)量傳感器，收集其采集到的原始環(huán)境空氣參數(shù)。由采樣定理可知：采樣頻率等于信號頻率2倍以上時才能準確恢復原始信號。即，要獲得真實的環(huán)境質(zhì)量參數(shù)，必須滿足以下式子：

f(s)≥2f(q) 

其中，f(s)為采樣頻率，f(q)為被采樣信號頻率。在實際應用中，一般取f(s)=5f(q)。對于本系統(tǒng)來說，實際的溫度、濕度都是低頻信號，很容易就可以滿足以上采樣條件。

另外一方面，在數(shù)據(jù)傳輸方面，本設計可以靈活的使用，可以根據(jù)安裝地點的特點選擇不同的傳輸模式：

①當安裝地點的網(wǎng)絡不發(fā)達時，可以使用其數(shù)據(jù)存儲功能，將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)存儲于NANDFLASH芯片，然后定期去收集。

②當安裝地點的網(wǎng)絡發(fā)達時，可以將其聯(lián)網(wǎng)，通過網(wǎng)絡將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)實時傳回PC控制臺。

在這個系統(tǒng)中，需要及時傳輸采集到的環(huán)境參數(shù)，這就需要系統(tǒng)擁有良好的實時性。綜合各種實時系統(tǒng)的優(yōu)缺點，本方案選擇了 uc/os-II 實時操作系統(tǒng)。本操作系統(tǒng)在滿足方案實時性的要求的同時，最大的優(yōu)點是其系統(tǒng)內(nèi)核全用c語言實現(xiàn)，具有較強的移植性，能大大加快方案的實施進度。而且，其應用在這類作為學習開發(fā)目的的項目中是免費的。

另外，由于要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是通過多個傳感器采集并由MCU處理過的數(shù)據(jù)，在量上不及語音通話、PC通信這樣大，所以本設計計劃移植輕量級TCPIP協(xié)議棧LWIP（Low Lewal IP）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸?；贚WIP的開源性和大量的開發(fā)資料，再結(jié)合PIC32的技術支持，相信這塊也能較好的完成。

3. 硬件選型

本方案擬采用PIC32 Ethernet Starter Kit開發(fā)板作為硬件平臺的主板，理由基于她的網(wǎng)絡接口可以很好的完成本設計的實時傳輸數(shù)據(jù)任務的要求；而且，其USB模塊也能夠很好的將采集并存儲在NANDFLASH中的數(shù)據(jù)上傳至上位設備。PIC32強大的接口（如串口、I2C、CAN控制器等），也能夠很好的為軟件調(diào)試、功能擴展、參數(shù)調(diào)試等帶來便捷。再者，PIC32的節(jié)能模式（如空閑模式、休眠模式等）也在環(huán)保節(jié)能方面有突出表現(xiàn)。

本方案計劃將小型實時操作系統(tǒng)UC/OS-II移植到PIC32上，因為PIC32的足夠的片上資源，足以滿足UC/OS的要求。這樣，各個模塊功能就可以很好的相對獨立的運行（如軟件流程所述，各個功能占據(jù)一個任務），整機的運行也不至于因為某個細節(jié)的出錯而中斷，能夠很好的滿足實時性的要求！選擇這個RTOS不僅因為其代碼量不大能很好的裁剪，也由于本人一直在使用UC/OS-II，相對來說對其移植、編程等都相當熟悉。

在數(shù)據(jù)采集方面，方案使用了傳感器。相對來說，傳感器的使用不是太難，購買也比較方便。主要用了：空氣質(zhì)量傳感器（采集二氧化硫，氮氧化物等有害物的濃度數(shù)據(jù)）、紫外線傳感器（采集紫外線強度）、濕度傳感器（采集周圍環(huán)境濕度數(shù)據(jù)）、溫度傳感器（采集周圍環(huán)境溫度數(shù)據(jù)）。

在數(shù)據(jù)存儲方面，采用了容量可達GB的非易失性存儲芯片NANDFLAH，具體可采用三星公司生產(chǎn)的芯片。由于本人以前從事過三星公司NANDFLASH相關芯片的開發(fā)，所以，作為可擴展的功能，NANDFLAH存儲數(shù)據(jù)方面應該不會太難。