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区域环境无线监测系统的研究与实现

作　者: 高秋燕
导　师: 姚舜才; 赵敏
学　校: 中北大学
专　业: 控制工程
关键词: 区域环境监测无线信号传输神经网络数据分析
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

人类所处的环境状况的优劣会对人类自身的健康状况形成很大的影响，特别是在封闭和半封闭的空间中，该空间区域环境状况更值得重视。如果区域环境状况不能达到最佳的指标，会对人们的身体造成一些潜在的隐患，这表现在环境参数的各个方面，例如所处环境的温度、湿度、光照强度以及该环境中各种气体浓度上。目前，许多区域环境监测设备采用有线传输的方式进行环境参数的数据采集，但是在环境参数监测过程中，采用有线信号数据采集的方式不仅存在布线问题，而且整个系统的可移植性和能观性也受到了影响。鉴于此，本文设计了一种对于有限区域环境参数进行实时监测、无线数据传输的系统。在区域环境的监测中，无线监测系统将比有线监测系统具有良好实时性、可移动性、灵活性等的优势。综合分析普遍区域中的最佳环境，确定的主要监测参数有温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度。根据发送数据量及其特征，硬件部分这里使用的是以单片射频集成电路组成的无线数传电台以及STC12C5A60S2单片机为核心组成的传感器采集模块，从硬件的设计上严格规范，降低干扰，提高系统整体性能。软件部分的可视化界面是基于VC++及MFC建立的应用程序，以及在MATLAB中对数据进行分析预测。系统的硬件和软件都采用模块化的设计方案，硬件部分通过无线通信模块与传感器采集模块进行无线数据采集及传送，另一个无线通信模块通过无线对接进行数据无线接收，采集的数据通过无线接受模块发送到上位机后，通过基于MFC的可视化界面，对各种环境参数进行实时显示、保存、报警提示以及曲线描绘等。最后，在MATLAB中，利用BP神经网络的算法对数据进行分析与预测。本论文设计的区域环境监测系统具有成本低、功耗低、通用性好和灵活性强等优点，所采用的无线通信协议具有免执照的优点，同时还可以实现多种环境参数信号实时、有效地监测，经适当的扩展和调试后，可以推广到其他信号的无线监测领域。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
1 引言  10-15
  1.1 课题背景及意义  10-11
  1.2 国内外发展概况  11-13
  1.3 本论文的主要结构和内容  13-15
2 系统总体设计方案  15-21
  2.1 区域环境参数分析与确定  15-16
  2.2 无线通信方案分析与确定  16-19
  2.3 系统总体方案的设计  19-21
3 区域环境无线监测系统的硬件设计  21-39
  3.1 各种传感器的选择  21-26
    3.1.1 温湿度传感器的选择  21-23
    3.1.2 光照强度传感器的选择  23-24
    3.1.3 二氧化碳传感器的选择  24-26
  3.2 数据采集模块的设计  26-30
    3.2.1 采集模块中单片机的选择  26-27
    3.2.2 采集模块中相关电路设计  27-30
  3.3 无线传送模块的设计  30-36
    3.3.1 无线模块收发芯片的选择  30-33
    3.3.2 nRF24L01 的工作模式  33-34
    3.3.3 nRF24L01 与单片机接口电路示例  34-36
  3.4 数据采集模块与无线传送模块的连接  36-38
    3.4.1 串口的特点  36-37
    3.4.2 数据采集模块与无线传输模块之间通过串口连接通信  37-38
  3.5 本章小结  38-39
4 区域环境无线监测系统的软件设计  39-47
  4.1 VC++以及 MFC 的特点  39
  4.2 上位机软件结构  39-42
    4.2.1 上位机界面结构功能图  39-41
    4.2.2 MSComm 控件的介绍  41-42
  4.3 软件系统初始化  42-44
    4.3.1 硬件模块与软件模块的接口连接  42-43
    4.3.2 接口通信及初始化  43-44
  4.4 可视化监测系统的界面  44-45
  4.5 软件设计流程  45-46
  4.6 本章小结  46-47
5 环境无线监测系统数据处理  47-63
  5.1 MATLAB 的特点及应用  47-49
    5.1.1 MATLAB 的特点  47-48
    5.1.2 MATLAB 的应用  48-49
  5.2 神经网络的介绍  49-53
    5.2.1 BP 神经网络的介绍  49-52
    5.2.2 BP 神经网络的特点  52-53
  5.3 监测系统的数据分析  53-62
    5.3.1 基于 BP 神经网络的模型设计  53-54
    5.3.2 BP 神经网络的建立以及参数设置、网络训练与运行  54-62
  5.4 本章小结  62-63
6 系统测试联调及其分析  63-70
  6.1 监测系统的整体实现及测试  63-64
  6.2 监测系统联调的意义  64-65
    6.2.1 系统联调的目的  65
  6.3 系统联调的内容  65-66
  6.4 系统联调的问题与改进  66-69
  6.5 本章小结  69-70
7 结论与展望  70-72
  7.1 论文总结  70
  7.2 工作展望  70-72
附录  72-84
参考文献  84-90
攻读硕士学位期间发表论文及所取得的研究成果  90-92
致谢  92-93

区域环境无线监测系统的研究与实现

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