2環(huán)境監(jiān)測裝置設(shè)計的相關(guān)技術(shù)2Relatedtechnologyofenvironmentalmonitoringdevicedesign2.1嵌入式系統(tǒng)簡介（Introductiontoembeddedsystem）微電子技術(shù)與20世紀(jì)中期興起并迅速發(fā)展，同時，嵌入式技術(shù)也悄然興起。進(jìn)年來，通信、電子產(chǎn)品和計算機(jī)之間相互融合并飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)成為了人們研究的焦點。嵌入式系統(tǒng)是為了特定的環(huán)境而設(shè)計的，根據(jù)實際應(yīng)用中需要的器件，對軟件和硬件進(jìn)行相應(yīng)的裁剪，主要用于用戶對系統(tǒng)裝置有功能、成本、可靠新、耗電量以及體積等有著多種綜合性嚴(yán)格要求的地方。嵌入式系統(tǒng)的主要組成部分是軟件和硬件。軟件的組件包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。操作系統(tǒng)的作用是管理，主要負(fù)責(zé)與硬件相關(guān)的應(yīng)用程序進(jìn)行交互，而應(yīng)用程序則負(fù)責(zé)整個嵌入式系統(tǒng)運(yùn)作的流程和相應(yīng)的行為。硬件部分包括微處理器、外圍設(shè)備、I/O端口、存儲器等。嵌入式系統(tǒng)沒有如計算機(jī)那樣的存儲介質(zhì)，而是采用FlashMemory（閃存）或EPROM等存儲手段。2.2ARM微處理器簡介（IntroductiontoARMmicroprocessor）同時能做到高性能和低功耗是ARM微處理器的主要特點。ARM處理器目前主要有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11、Cortex、SecurCore等系列。ARM11處理器的主要設(shè)計目的是提供相當(dāng)于64位處理器高性能和高能效的性能，卻只花費(fèi)32為處理器的成本。ARM11具有更多的有時，低功耗和媒體處理能力讓他能更多的應(yīng)用到手機(jī)開發(fā)上面；因為它有著更高的數(shù)據(jù)存儲量，所以在基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)上他也有著更好的市場；同時，它也有著更好的浮點運(yùn)算能力。，此外，強(qiáng)大的中斷和異常處理功能在處理實時任務(wù)方面更有優(yōu)勢。2.3Android操作系統(tǒng)（Androidoperatingsystem）Android一次的本意是指“機(jī)器人”，同時也是Google公司于2007年11月5日宣布的基于Linux內(nèi)核開發(fā)的開源操作系統(tǒng)。該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成，號稱是首個為移動終端打造的正真開放和完整的移動軟件。Android采用Java作為編程語言，使得數(shù)據(jù)的接口到應(yīng)用程序的功能都可以不斷變化。其中Activity等同于J2ME的MIDlet，一個Activity類負(fù)責(zé)創(chuàng)建視窗，一個活動中的Activity就是在前景模式，背景運(yùn)行的程序叫做Service。兩者之間通過由ServiceConnection和AIDL連結(jié),達(dá)到復(fù)數(shù)程序同時運(yùn)行的效果。如果運(yùn)行中的Activity全部畫面被其他Activity取代時，該Activity便被停止，甚至被系統(tǒng)清除。安卓系統(tǒng)的優(yōu)勢：1、就優(yōu)勢而言，Android平臺首先是開放的。開發(fā)的平臺允許任何移動終端制造商加入Android聯(lián)盟。顯著的開放性將使得它擁有更多的開發(fā)人員，并且隨著用戶和應(yīng)用程序變得更加豐富，一個全新的平臺將很快成熟起來。對于Android的發(fā)展來說，開放性的發(fā)展有利于人氣的積累，包括消費(fèi)者和制造商。對于消費(fèi)者來說，最大的利益就是豐富的軟件資源。開放的平臺也會帶來更多的競爭，這樣消費(fèi)者就可以以更低的價格買到他們想要的手機(jī)。2、掙脫運(yùn)營商的束縛。在過去很長一段時間里，特別是在歐洲和美國，手機(jī)應(yīng)用程序經(jīng)常受到運(yùn)營商的限制，幾乎所有的應(yīng)用程序都是由運(yùn)營商控制的，他們使用什么功能來連接到什么網(wǎng)絡(luò)。自iPhone發(fā)布以來，用戶能夠更輕松地連接到互聯(lián)網(wǎng)，運(yùn)營商的限制也更少。隨著EDGE

、HSDRA這些2G至3G移動網(wǎng)絡(luò)的逐步轉(zhuǎn)型和升級，手機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)不再是一個笑話。3、豐富的硬件選擇。這一點與Android平臺的開放性有關(guān)，由于Android平臺的開放性，很多廠商都會推出各種功能各異的奇怪產(chǎn)品。功能差異和特性不影響數(shù)據(jù)同步，甚至不影響軟件兼容性。例如，如果你從諾基亞的Symbian風(fēng)格的手機(jī)切換到蘋果的iPhone，你也可以把Symbian的優(yōu)秀軟件帶到iPhone上使用，你的聯(lián)系信息可以很容易地轉(zhuǎn)移。4、不受任何限制的開發(fā)商。Android平臺為第三方開發(fā)者提供了一個非常廣泛和免費(fèi)的環(huán)境。因此，將不會有任何規(guī)則和條例來阻止創(chuàng)建新的和創(chuàng)新的軟件。但也事物總有兩面性。如何控制血腥、暴力、色情的應(yīng)用和游戲是留給Android的問題之一。5、無縫結(jié)合的Google應(yīng)用。今天，谷歌已經(jīng)統(tǒng)治互聯(lián)網(wǎng)10年了。從搜索巨頭到互聯(lián)網(wǎng)的全面滲透，地圖、電子郵件、搜索等谷歌服務(wù)已經(jīng)成為用戶與互聯(lián)網(wǎng)之間的重要紐帶，Android手機(jī)將無縫整合這些優(yōu)秀的谷歌服務(wù)。2.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Internetofthingstechnology)簡而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是在物與物、人與物之間傳遞和控制信息。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有以下關(guān)鍵技術(shù):1、傳感器技術(shù)，這也是利用計算機(jī)的重要技術(shù)。幾乎所有的電腦都處理數(shù)字信號。自從計算機(jī)存在以來，他們一直需要傳感器來將模擬信號轉(zhuǎn)換成能夠由計算機(jī)處理的數(shù)字信號。2、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)；3、智能技術(shù)：它是利用知識的手段和方法，有效地達(dá)到預(yù)期目的。將智能系統(tǒng)嵌入到對象中，使對象具有一定程度的智能，能夠與用戶進(jìn)行主動或被動的通信，也是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。4、納米技術(shù)：是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1~100nm范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用，主要包括:納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)等。2.3藍(lán)牙技術(shù)（BluetoothTechnology）藍(lán)牙是一種支持短距離通信的無線技術(shù)設(shè)備，能在手機(jī)、筆記本電腦、PDA、無線耳機(jī)、相關(guān)外設(shè)等諸多設(shè)備之間進(jìn)行無需布線的信息交換。作為一種小范圍\t"/item/%E8%93%9D%E7%89%99/_blank"無線連接技術(shù)，能在設(shè)備間實現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)通信和語音通信，因此它是目前實現(xiàn)無線局域網(wǎng)通信的主流技術(shù)之一。隨著藍(lán)牙技術(shù)的飛速發(fā)展，作為一種無線數(shù)據(jù)傳輸與接收的技術(shù)，漸漸的成為全球開放心的技術(shù)規(guī)范，以低成本的無線短距離連接為其傳輸基礎(chǔ)，為固定與移動設(shè)備通信環(huán)境建立了一個特別連接。它的基礎(chǔ)是為固定設(shè)備和移動設(shè)備之間的通信環(huán)境創(chuàng)建一個無線電空間接口，將通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，使不同的3C設(shè)備可以在最近的范圍內(nèi)進(jìn)行通信或操作，而不需要相互連接電線或電纜。簡單來說，藍(lán)牙技術(shù)是一種利用低功率波在不同的3C設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)。2.4本章小結(jié)(SummaryofthisChapter)本章介紹了本課題中使用的嵌入式系統(tǒng)、ARM為處理器、Android操作系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)。在本次課題中，設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測裝置通過這些技術(shù)實現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和接收，很好的避免現(xiàn)有技術(shù)遇到的一些難題。3采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計3OveralldesignofenvironmentalmonitoringsysteminGoaf3.1采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測裝置系統(tǒng)原理（Systemprincipleofgoafenvironmentalmonitoringdevice）在本文中設(shè)計的基于嵌入式系統(tǒng)的煤礦采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測裝置適合應(yīng)用于煤礦井下采空區(qū)等區(qū)域，可以收集、存儲和傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)。其原理是：將集成有多種傳感器的環(huán)境數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊置放如采空區(qū)內(nèi)，它可以采集采空區(qū)內(nèi)部多種環(huán)境參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，其次將采集到的電信號放大后經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，之后將數(shù)字信號發(fā)送到微控制器，微控制器按照數(shù)字信號處理程序進(jìn)行加工處理，數(shù)字量信號形成后將數(shù)據(jù)包保存下來，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能，并產(chǎn)生蜂鳴器報警信號，最后監(jiān)測人員可以通過手機(jī)藍(lán)牙APP完成功能控制和結(jié)果查詢，分析和判斷采空區(qū)環(huán)境。本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用kile5進(jìn)行軟件編程，把程序編寫的復(fù)雜水平大大降低，容易維護(hù)，易于實現(xiàn)。系統(tǒng)整體均采用低功耗設(shè)計，從而為采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測提供可靠地技術(shù)支持。3.2系統(tǒng)功能設(shè)計（Systemfunctiondesign）由于采空區(qū)內(nèi)部環(huán)境危害較為嚴(yán)重，監(jiān)測人員不適合直接進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)部測量環(huán)境參數(shù)，其他技術(shù)中如布線和鋪設(shè)管道也在安全和成本上有著很大的難題，因此，在基于嵌入式系統(tǒng)的煤礦采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測裝置中采用將數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)接收模塊拆分開的分體式結(jié)構(gòu)。預(yù)先將數(shù)據(jù)采集和發(fā)射模塊置放在采空區(qū)內(nèi)部，采空區(qū)環(huán)境復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集和發(fā)射模塊體積不能太大。接收單元采空Android開發(fā)的手機(jī)藍(lán)牙APP,兩個模塊之間通過藍(lán)牙實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，因此本文從軟件和硬件兩個方面進(jìn)行設(shè)計。數(shù)據(jù)采集模塊為硬件系統(tǒng)設(shè)計，集成有溫濕度和有害氣體兩種參數(shù)的傳感器，可以采集采空區(qū)內(nèi)部的有害氣體濃度和溫濕度兩種環(huán)境指標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)。上述信號處理完畢以后形成數(shù)據(jù)包存儲，通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到手機(jī)藍(lán)牙APP，并向報警模塊輸出報警信號。數(shù)據(jù)接收模塊主要為Android開發(fā)的手機(jī)藍(lán)牙APP，可以顯示數(shù)據(jù)采集模塊對應(yīng)的參數(shù)數(shù)值，上下限設(shè)置，以實時監(jiān)測采空區(qū)環(huán)境參數(shù)。信號接受單元接收信號單元發(fā)送來的參數(shù)數(shù)據(jù)以后，將數(shù)據(jù)處理后通過手機(jī)藍(lán)牙APP進(jìn)行顯示，監(jiān)測人員可以通過手機(jī)藍(lán)牙APP獲取采空區(qū)溫濕度及有害氣體濃度兩種實時參數(shù)，并將信號接受單元存儲的數(shù)據(jù)上傳進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)采空區(qū)環(huán)境的監(jiān)測功能。3.3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計（Systemhardwarestructuredesign）采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測裝置系統(tǒng)采用分體式設(shè)計，由數(shù)據(jù)接采集傳輸塊和數(shù)據(jù)接收模塊組成，數(shù)據(jù)采集接收模塊在采空區(qū)中預(yù)先置放，數(shù)據(jù)接收模塊在采空取工作面中由監(jiān)工管理，如圖2-1所示：1-信號接受單元；2-數(shù)據(jù)采集模塊；G-采區(qū)工作面；K-采空區(qū)；M-煤層；H-采空取工作面1-Signalreceivingunit；2-Signaltransmittingunit；G\H-Adoptworkingface；K-Goaf；M-coalseam圖3-1采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測裝置組成示意圖Figure3-1CompositiondiagramofenvironmentalmonitoringdeviceinGoaf環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是一個多體架構(gòu)，其中一個接收單元對應(yīng)多個數(shù)據(jù)收集模塊。當(dāng)使用時，一系列的數(shù)據(jù)采集傳輸模塊被安排在采空區(qū)的一個固定的距離內(nèi)，數(shù)據(jù)的接收模塊是檢測人員在采空取工作表面進(jìn)行的。因條件限制，本課題只涉及數(shù)據(jù)采集傳輸模塊和數(shù)據(jù)接收模塊一對一傳輸。3.3.1數(shù)據(jù)采集模塊組成本系統(tǒng)功能設(shè)計如圖2-3-1所示。包括STM32F103C8T6主控電路模塊，傳感器模塊，藍(lán)牙模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊和報警模塊。系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)作為控制核心，集成溫濕度傳感器，有害氣體傳感器兩種環(huán)境檢測傳感器獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，并以蜂鳴器作為報警裝置，以藍(lán)牙作為傳輸模塊，實現(xiàn)分析和監(jiān)控采空區(qū)環(huán)境。傳感器模塊根據(jù)設(shè)計方案選取溫濕度傳感器DHT11和有害氣體傳感器MQ-5組建成傳感器電路，檢測環(huán)境中溫濕度和有害氣體數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給STM32，STM32將來自傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給藍(lán)牙模塊和OLED顯示屏并通過藍(lán)牙模塊發(fā)送給手機(jī)藍(lán)牙APP，同時向蜂鳴器輸出報警信號。OLED電源模塊報警模塊有害氣體檢測模塊溫濕度檢測模塊藍(lán)牙模塊存儲模塊OLED電源模塊報警模塊有害氣體檢測模塊溫濕度檢測模塊藍(lán)牙模塊存儲模塊STM3主2控F電1路03C8T6圖3-3-1數(shù)據(jù)采集模塊框圖Figure3-3-1Blockdiagramofsignaltransmittingunit3.3.2數(shù)據(jù)接收模塊組成數(shù)據(jù)接收模塊利用Android開發(fā)的手機(jī)藍(lán)牙APP，以藍(lán)牙通信的方式喚醒數(shù)據(jù)采集模塊，使其執(zhí)行采集環(huán)境參數(shù)命令，然后輸入微控制器進(jìn)行處理和存儲，通過手機(jī)藍(lán)牙APP和OLED顯示屏顯示結(jié)果，蜂鳴器接收微控制器發(fā)送來的信號開始預(yù)計。通過安卓手機(jī)藍(lán)牙APP連接測試；（1）給模塊上電→開啟手機(jī)藍(lán)牙功能→打開手機(jī)藍(lán)牙APP→掃描設(shè)備→掃描找到藍(lán)牙模塊→點擊連接；（2）配對成功后模塊指示燈長亮，就可以開始收發(fā)數(shù)據(jù)了。3.4系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計（Systemsoftwarestructuredesign）系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思路是按功能細(xì)分復(fù)雜的程序，使其被分為一系列小的功能模塊，在設(shè)計程序時，先理清主程序和子程序結(jié)構(gòu)框架內(nèi)，分類鏈接，然后在分析過程中，得到同一系列的算法秒速功能。所以在實際程序設(shè)計中，有主程序、子程序等，理清不同結(jié)構(gòu)件的聯(lián)系，然后在進(jìn)行逐步分解，最后得到一系列以功能更快為單位的算法描述。該程序編寫、調(diào)試、運(yùn)行清晰，經(jīng)過修改，提高了程序的可靠性，縮短了開發(fā)時間，避免了程序開發(fā)時的勞動重復(fù)。數(shù)據(jù)采集模塊程序模塊主要包括初始化、功能主函數(shù)、數(shù)據(jù)處理、藍(lán)牙通信等模塊。3.5本章小結(jié)(SummaryofthisChapter)本章主要內(nèi)容是對環(huán)境監(jiān)測裝置在硬件和軟件設(shè)計上進(jìn)行了一個簡單的介紹，為接下來的設(shè)計中理清了一個清晰的框架思路，更加方面軟硬件的設(shè)計。4采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計4Hardwaredesignofgoafenvironmentmonitoringsystem基于嵌入式系統(tǒng)的煤礦采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測裝置硬件設(shè)計主要有控制模塊、報警模塊、傳感器模塊、藍(lán)牙模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊和OLED顯示模塊構(gòu)成，硬件原理圖如圖3-1所示。以下介紹為系統(tǒng)各個模塊的硬件設(shè)計要求和型號選擇。圖4-1采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件原理圖Figure4-1Hardwareschematicdiagramofgoafenvironmentalmonitoringsystem4.1STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)（STM32SCMminimumsystem）單片機(jī)的最小系統(tǒng)就是讓單片機(jī)能正常工作并發(fā)揮其功能是所必須的組成部分，也可以理解為單片機(jī)正常運(yùn)行的最小環(huán)境。成成最小系統(tǒng)主要有4部分，分別為：1、單片機(jī)芯片——運(yùn)行任務(wù)程序及執(zhí)行相應(yīng)的控制動作；2、時鐘電路——為單片機(jī)運(yùn)行程序提供時鐘源；3、復(fù)位電路——是單片機(jī)內(nèi)部各個模塊處于確定的初始狀態(tài)；4、系統(tǒng)電源——提供工作電源。要想讓STM32單片機(jī)正常運(yùn)行，必須具備以上四個電路。STM32單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)集成有時鐘電路，所以STM32單片機(jī)只需要帶有復(fù)位電路和提供工作電源，便可正常運(yùn)行。以下是本文所用的STM32F103CET6單片機(jī)的最小系統(tǒng)。4.1.1STM32F103C8T6芯片本文所用的微處理器對計算能力及控制功能的要求相對簡單，體積較小，低功耗，成本低廉。為滿足本系統(tǒng)的控制要求，選用以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)。STM32F103C8T6是一種基于STM32系列ARMCortex-m內(nèi)核的32位微控制器。他的存儲器內(nèi)存容量有64KB，工作電壓為2V~3.6V，需要在-40℃~85℃的溫度范圍內(nèi)工作。他的主要功能是執(zhí)行下載好的電路程序和控制外部電路如圖3-1-1所示。它的主要優(yōu)點是包裝尺寸小，價格比其他芯片的價格低，比8位單片機(jī)性能更好，使用STM32系列芯片，性價比較高、可以滿足小項目和初學(xué)的需求。圖4-1-1STM32F103C8T6芯片F(xiàn)igure4-1-1STM32F103C8T6Chip4.1.2系統(tǒng)時鐘電路單片機(jī)可以按順序工作，主要是根據(jù)時鐘信號向主控芯片提供動力。在系統(tǒng)時鐘的作用下，工作控制器協(xié)調(diào)芯片內(nèi)部部件，使內(nèi)部邏輯硬件產(chǎn)生脈沖信號。時鐘電路是一種振蕩電路，它能像時鐘一樣產(chǎn)生精確的運(yùn)動。一切都是按時間順序安排的。用來產(chǎn)生這個時間的電路是時鐘電路。時鐘電路通常由晶體振蕩器、晶體振動控制芯片和電容組成。系統(tǒng)時鐘電路原理圖如圖3-1-2所示。STM32有兩組晶體振蕩器，一組用于為單片機(jī)提供主時鐘，主時鐘晶體振蕩器使用8MHz晶振(為方便程序中頻率加倍，一般使用8MHz晶體振蕩器)。一組用來為RTC提供時鐘的，需要連接到32.768kHz晶振。一些低速外圍設(shè)備需要使用32.768KHZ，一些高速設(shè)備使用8MHz外圍設(shè)備。32.768KHz是RC時鐘，如果不關(guān)注時間信息的話可以不要。圖4-1-2系統(tǒng)時鐘電路Figure4-1-2Systemclockcircuit4.1.3復(fù)位電路有電容和電阻串聯(lián)的電路組成最簡單的復(fù)位電路。因為電容的電壓不能突變，當(dāng)系統(tǒng)上電后，單片機(jī)的RST引腳將會出現(xiàn)一個持續(xù)的高電平，而這個高電平的持續(xù)時間有電路的電容值來決定。STM32單片機(jī)RST引腳檢測持續(xù)到20us以上的高電平后，將會對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作。因此，結(jié)合正確的RC取值將確?？煽康膹?fù)位。主硬件按鍵復(fù)位屬于系統(tǒng)復(fù)位之一。其中的電容C7的目的是按鍵消抖。其中C7電容的設(shè)計目的，是為了案件消抖，防止由按鍵剛剛接觸/松開時的電平抖動殘生的錯誤動作。復(fù)位電路原理圖如圖3-1-3所示。圖4-1-3復(fù)位電路Figure4-1-3Resetcircuit4.1.4其他輔助電路為了讓STM32單片機(jī)提供靈活、可靠、穩(wěn)定、抗干擾性較強(qiáng)的控制動作，最小系統(tǒng)還需要具備其他附加電路。1、SWD調(diào)試下載接口——進(jìn)行程序調(diào)試和下載；2、程序的啟動方式控制引腳——BOOT0/BOOT1：這兩個引腳可控制單片機(jī)程序的啟動方式；3、電源濾波處理——此電路的電容作為系統(tǒng)電源的濾波處理，可減少電源出現(xiàn)脈動或者一直電路向外輻射電磁波。4.2電源模塊(Powermodule)STM32F103C8T6單片機(jī)的電壓范圍是2V-3.6V，然而一般輸入電壓為5C。所以本文利用穩(wěn)壓器將5V電壓輸出為3.3V電壓。。其原理圖如圖3-2所示，電壓經(jīng)過AMS1117穩(wěn)壓器將+5V電壓轉(zhuǎn)換成+3.3V電壓。電源電路采用AMS1117芯片。MS1117是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，在1A電流下壓降為1.2V。AMS1117有兩個版本：固定輸出版本和可調(diào)版本。固定輸出電壓為1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V，具有1%精度；固定輸出電壓為1.2V的精度為2%。AMS1117內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，是電池供電和便攜式計算機(jī)的最佳選擇。VCC_+5V：VCC_+5V引腳為外部傳感器包括溫濕度傳感器、有害氣體傳感器、存儲模塊、藍(lán)牙模塊供電；VCC_+3.3V：VCC_+3.3VY引腳用于單片機(jī)和I/O端口,以及報警電路以及低功率電路的供電。圖4-2電源電路Figure4-2Powersupplycircuit4.3存儲模塊(Enclosure)本系統(tǒng)采用的STM32F103C8T6單片機(jī)本身的存儲空間不能滿足要求，所以這里進(jìn)行了存儲容量擴(kuò)展。AT24C256芯片是一種I2C總線接口的E2PROM，存儲容量為256Kb內(nèi)部存儲空間，具有容量大、讀取速率快，性能穩(wěn)定、價格較低等優(yōu)點，適合于本系統(tǒng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲，存儲模塊原理圖和實物圖如圖3-3所示。圖4-3存儲電路Figure4-3memorycircuit4.4藍(lán)牙傳輸模塊(Bluetoothtransmissionmodule)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收模塊以數(shù)據(jù)采集模塊之間通過藍(lán)牙通訊技術(shù)實現(xiàn)連接，信號的傳輸方式主要通過藍(lán)牙通信技術(shù)。考慮系統(tǒng)的低功耗，穩(wěn)定性，抗干擾能力，我選用HC-05藍(lán)牙模塊作為數(shù)據(jù)傳輸模塊。HC-05藍(lán)牙串口通信模塊是一個基于BluetoothSpecificationV2.0的，具有EDR藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸模塊。無線工作頻率是2.4GHzISM，調(diào)制方法是GFSK。模塊最大傳輸功率為4dBm，可接收靈敏度-85dbm，板載PCB天線可在10米范圍內(nèi)識別通信。該模塊采用郵票孔封裝方式，模塊尺寸為27mm×13mm×2mm，方便客戶應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)。它有LED燈，可以直接判斷藍(lán)牙的連接情況。模塊通過BC417CSR芯片，支持AT指令。用戶可以根據(jù)自己的需要改變角色(主從模式)、串口波特率、設(shè)備名稱等參數(shù)，即靈活使用。其模塊原理圖和實物如圖4-4所示。圖4-4藍(lán)牙傳輸模塊Figure4-4Bluetoothtransmissionmodule4.5傳感器采集模塊(Sensoracquisitionmodule)傳感器模塊是一種能夠采集被測信息的監(jiān)測設(shè)備，能夠按照一定規(guī)則將檢測到的信息轉(zhuǎn)換為電信號或則其他所需要的信息輸出，從而滿足信息處理、存儲、傳輸。他是實現(xiàn)自動監(jiān)測和自動控制的第一步，傳感器按物理規(guī)則分類可分為光電、壓電、溫度、氣體成分、適度、速率、位移及濃度等傳感器。本文僅設(shè)計溫濕度傳感器和有害氣體傳感器，以下對這兩種傳感器分別進(jìn)行介紹。4.5.1溫濕度檢測模塊溫濕度檢測模塊采用的是DHT11溫濕度傳感器。DHT11是一種常見的溫濕度傳感器型號，可以檢測周圍環(huán)境的濕度和溫度。濕度的測定范圍為20%-95%（0℃-50℃的溫度范圍內(nèi)），濕度測量誤差為±5%；溫度測定范圍為0℃-50℃，溫度測量誤差為±2度。本課題選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。選這個傳感器是因為它采用的專用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，能確保產(chǎn)品有很棒的長期和穩(wěn)定可靠性。并具有低成本、相對濕度和測量溫度，反應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、信號傳播距離長、數(shù)字信號輸出、精準(zhǔn)校準(zhǔn)等特點。該傳感器包括電容式水分傳感器和NTC溫度傳感器，它包括一個因素,測量濕度電容和編號的溫度NTC一個氣候因素,并被連接到一個MCU8-bit效率高。其原理圖如圖4-5-1所示。圖4-5-1溫濕度傳感器Figure4-5-1Temperatureandhumiditysensor4.5.2有害氣體檢測模塊MQ-5氣體傳感器使用的氣體傳感材料是二氧化錫，SnO2在清潔空氣中具有較低的電導(dǎo)率。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-5氣體傳感器對丁烷、丙烷和甲烷高度敏感。該傳感器可以檢測多種可燃?xì)怏w，是一種低成本的傳感器，適用于多種應(yīng)用場合。當(dāng)傳感器所處的環(huán)境出現(xiàn)有害氣體是，有害氣體濃度上升，相應(yīng)的傳感器內(nèi)部的電導(dǎo)率也會隨之上升，對應(yīng)的輸出氣體濃度的電壓或者數(shù)字信號，有害氣體監(jiān)測模塊原理圖如圖4-5-2所示。圖4-5-2有害氣體監(jiān)測模塊Figure4-5-2HARMfulgasmonitoringmodule4.6報警模塊(Alarmmodule)當(dāng)采空區(qū)內(nèi)溫濕度和有害氣體濃度超過設(shè)定值是，主控芯片就向報警模塊發(fā)射報警信號，蜂鳴器開始報警。。其中蜂鳴器電路部分采用的是有源蜂鳴器模塊，高電平觸發(fā)，直接連接單片機(jī)I/O口，單片機(jī)I/O在通常情況下維持低電平，當(dāng)外部環(huán)境出現(xiàn)異常時升高電平。報警模塊電路原理圖如圖3-6所示。圖4-6報警模塊Figure4-6AlARMmodule4.7本章小結(jié)(SummaryofthisChapter)本章主要內(nèi)容是基于嵌入式系統(tǒng)的煤礦采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測裝置的硬件電路設(shè)計，對各個電路設(shè)計進(jìn)行了說明，包括控制模塊、報警模塊、傳感器模塊、藍(lán)牙模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊所用到的各元件的型號選擇及各模塊原理圖的繪制。5采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計5Softwaredesignofgoafenvironmentmonitoringsystem本文開發(fā)的采空區(qū)環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與存儲是由單片機(jī)完成的。若要實現(xiàn)各種功能需要將編程指令寫在單片機(jī)上，通過單片機(jī)進(jìn)行處理。在單片機(jī)程序開發(fā)的過程中，由于單片機(jī)沒有類似于計算機(jī)的可視操作界面和鍵盤、鼠標(biāo)等易于操作的工具，因此，為了使開發(fā)過程簡單高效，程序調(diào)試方便快捷，快速檢測出程序的功能特點，選擇了Keil5來輔助單片機(jī)的開發(fā)，軟件程序的創(chuàng)建、編輯、連接、下載、調(diào)試等過程。本文系統(tǒng)采用的是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)keil5，可以進(jìn)行程序的編寫、編譯、調(diào)試、修改。采用keil5軟件進(jìn)行硬件調(diào)試，軟件代碼的編寫采取模塊化構(gòu)造設(shè)計，程序的設(shè)計、調(diào)試和維護(hù)等操作簡潔明了，使得參數(shù)的測量精度得到提高。5.1軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計（Softwareoverallstructuredesign）本文設(shè)計的嵌入式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用分體式結(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)采集模塊和信號接收部分兩部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊位于采空區(qū)內(nèi)，通過傳感器收集環(huán)境參數(shù)信號，數(shù)據(jù)信號處理后發(fā)送給OLED顯示屏顯示并通過藍(lán)牙通信傳送到數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計為手機(jī)藍(lán)牙APP軟件，在手機(jī)上，監(jiān)視員攜帶數(shù)據(jù)接收模塊接近采空區(qū)，可通過手機(jī)藍(lán)牙APP軟件發(fā)送信號，命令數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行參數(shù)采集和傳送動作。手機(jī)藍(lán)牙APP可以接收數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的參數(shù)信號，它可以通過模塊發(fā)送給接收方。數(shù)據(jù)接收模塊具有顯示、設(shè)置上下限等功能。因此，在編寫軟件程序時，數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)接收模塊將分別編寫系統(tǒng)程序。兩個部分應(yīng)用程序通過模塊設(shè)計分別建立相關(guān)指令程序，應(yīng)用程序中使用相同的變量，用功能主函數(shù)調(diào)用相關(guān)命令程序，完成系統(tǒng)應(yīng)用程序的整體功能。軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖5-1所示。開始開始初始化STM32發(fā)送報警信息初始化STM32發(fā)送報警信息初始化傳感器初始化傳感器OLED顯示OLED顯示采集數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)藍(lán)牙模塊超出限定值？N藍(lán)牙模塊超出限定值？手機(jī)APPY手機(jī)APP蜂鳴器響應(yīng)蜂鳴器響應(yīng)圖5-1數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)設(shè)計程序結(jié)構(gòu)流程圖Figure5-1Flowchartofsignaltransmittingunitsystemdesignprogramstructure5.2數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計（Programdesignofsignaltransmittingunit）數(shù)據(jù)采集模塊的功能主要是通過傳感器采集采空區(qū)內(nèi)部環(huán)境參數(shù)信號，放大丁烷，丙烷,甲烷以及溫度模擬量信號，發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換器，完成A/D轉(zhuǎn)換，然后輸入到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)牙發(fā)送模塊發(fā)送。數(shù)據(jù)采集模塊程序分為功能函數(shù)和命令子程序。命令子程序由以下部分組成：（1）數(shù)據(jù)采集模塊初始化子程序；（2）環(huán)境參數(shù)信號采集與處理子程序；（3）藍(lán)牙通信子程序。5.1.1數(shù)據(jù)采集模塊初始化子程序數(shù)據(jù)采集模塊通電后，STM32單片機(jī)開始初始化過程，給系統(tǒng)供電之后，由功率損耗復(fù)位模塊產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位信號，并在復(fù)位信號的作用下對單片機(jī)的各個模塊進(jìn)行初始化。單片機(jī)內(nèi)部各模塊初始化完成后，系統(tǒng)開始執(zhí)行用戶編寫的程序。單片機(jī)內(nèi)部初始化的流程圖如圖5-1-1所示。執(zhí)行用戶程序各系統(tǒng)模塊復(fù)位產(chǎn)生復(fù)位信號斷電復(fù)位供電啟動執(zhí)行用戶程序各系統(tǒng)模塊復(fù)位產(chǎn)生復(fù)位信號斷電復(fù)位供電啟動圖5-1-1STM32F1單排年紀(jì)內(nèi)部初始化流程圖Figure5-1-1STM32F1singlerowinternalinitializationflowchart在單片機(jī)內(nèi)部初始化后，開始執(zhí)行用戶程序，初始化整個數(shù)據(jù)采集模塊。其程序如圖5-1-2所示。圖5-1-2程序初始化Figure5-1-2Programinitialization5.1.2環(huán)境參數(shù)信號采集與處理子程序此部分由有害氣體傳感器程序，溫濕度傳感器程序，A/D采集程序，數(shù)據(jù)處理子程序組成。溫濕度數(shù)據(jù)采集電路根據(jù)傳感器的特性，使用串口與單片機(jī)通信。本系統(tǒng)設(shè)計的溫濕度數(shù)據(jù)由溫濕度傳感器DTH11提供。其程序如圖5-1-2.1所示。圖5-1-2.1DHT11程序Figure5-1-2.1DHT11program有害氣體濃度檢測，使用的是MQ-5傳感器模塊，該模塊可以輸出數(shù)字電平和模擬電壓。其中，數(shù)字輸出可直接接入單片機(jī)I/O接口；模擬電壓接ADC后，可以向單片機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)換后的有害氣體濃度數(shù)據(jù)。其程序如圖5-1-2.2所示。圖5-1-2.2MQ-5程序Figure5-1-2.2MQ-5program5.1.3藍(lán)牙通信子程序藍(lán)牙通信模塊的最用主要是接收數(shù)據(jù)采集模塊到的數(shù)據(jù)并發(fā)送給手機(jī)藍(lán)牙APP，首先系統(tǒng)通過UART給藍(lán)牙模塊發(fā)送一系列初始化命令。藍(lán)牙模塊返回事件，交互完成一系列的復(fù)位，鑒權(quán)，讀地址等初始化操作。之后等待手機(jī)藍(lán)牙APP的連接請求獲得一個連接句柄，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其程序如圖5-1-3所示。圖5-1-3藍(lán)牙通信子程序Figure5-1-3Bluetoothcommunicationsubroutine5.3數(shù)據(jù)接收模塊程序設(shè)計（Programdesignofsignalreceivingunit）在本系統(tǒng)設(shè)計中，不單單只靠單片機(jī)來執(zhí)行操作，還需要數(shù)據(jù)接收模塊配合數(shù)據(jù)采集模塊同時工作。數(shù)據(jù)接收模塊為OLED顯示模塊、蜂鳴器報警模塊藍(lán)牙APP手機(jī)客戶端。其中數(shù)據(jù)通過手機(jī)APP界面的搭建會更好的顯示采空區(qū)內(nèi)信號發(fā)射模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)參數(shù)，比較適合基于嵌入式系統(tǒng)的煤礦采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測裝置的基本需求。5.3.1OLED顯示子程序本系統(tǒng)設(shè)計中，OLED顯示模塊作為對比模塊，為了能確定手機(jī)藍(lán)牙APP接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。其程序如圖5-3-1所示。圖5-3-1OLED顯示子程序Figure5-3-1OLEDdisplaysubroutine5.3.2報警模塊子程序報警響應(yīng)部分，采用了蜂鳴器響應(yīng)，作為單片機(jī)的報警響應(yīng)部分。其中蜂鳴器電路部分采用的是有源蜂鳴器模塊，高電平觸發(fā)，直接連接單片機(jī)I/O口，單片機(jī)I/O在通常情況下維持低電平，當(dāng)外部環(huán)境出現(xiàn)異常時升高電平。其程序如圖5-3-2所示。圖5-3-2報警模塊子程序Figure5-3-2Alarmmodulesubroutine5.3.3藍(lán)牙通信子程序如圖5-3-4.1所示，手機(jī)藍(lán)牙APP通過藍(lán)牙串口控制單片機(jī)的操作，單片機(jī)控制檢測裝置開始監(jiān)測采空區(qū)環(huán)境，并將檢測到的數(shù)據(jù)參數(shù)發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)再將數(shù)據(jù)參數(shù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到手機(jī)藍(lán)牙APP，就能在手機(jī)藍(lán)牙APP上顯示采空區(qū)內(nèi)信號發(fā)射模塊所采集到的環(huán)境參數(shù)，從而采取措施。其數(shù)據(jù)交換程序如圖5-3-3所示。監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測設(shè)備STM32STM32單片機(jī)藍(lán)牙串口藍(lán)牙串口手機(jī)藍(lán)牙手機(jī)藍(lán)牙APP圖5-3-3系統(tǒng)流程圖Figure5-3-3systemflowchart5.3.4手機(jī)藍(lán)牙APP用戶界面搭建手機(jī)APP的設(shè)計旨在對移動客戶端用戶界面的搭建，通過移動客戶端用戶見面去直觀的顯示數(shù)據(jù)采集端在采空區(qū)內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)。本課題手機(jī)藍(lán)牙APP界面搭建用的是QTCreator軟件。QTCreator是跨平臺的QTIDE，設(shè)計目的是使開發(fā)人員能夠利用QT這個應(yīng)用程序框架更加快速的完成開發(fā)任務(wù)，QTCreator包括項目生成向?qū)А⒏呒壍腃++代碼編輯器、瀏覽文件及類的工具、集成了QTDesigner、QTAssistant、QTLinguist、圖形化的GDB調(diào)試前端，集成qmake構(gòu)建工具等。QTCreator的功能和優(yōu)勢在于它使用強(qiáng)大的C++代碼編輯器可快速編寫代碼，能使用瀏覽工具管理源代碼，并且它為QT跨平臺開發(fā)人員的需求而量身定制。搭建好的手機(jī)藍(lán)牙APP用戶界面如圖5-3-5所示.圖5-3-4藍(lán)牙APP用戶界面Figure5-3-4Bluetoothappuserinterface5.4本章小結(jié)(SummaryofthisChapter)本章節(jié)主要是基于嵌入式系統(tǒng)的煤礦采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測裝置軟件設(shè)計，以keil5軟件開發(fā)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行軟件編程。設(shè)計了系統(tǒng)初始化、環(huán)境參數(shù)采集、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸以及手機(jī)藍(lán)牙APP等程序以使設(shè)計的裝置能完整運(yùn)行。6系統(tǒng)的調(diào)試與檢測6Debuggingandtestingofthesystem為了驗證系統(tǒng)的功能和性能，系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計完成后，需要調(diào)試和測試，在硬件和軟件調(diào)試的整合過程中，為防止在出現(xiàn)不同的問題是能準(zhǔn)確確定問題出在何處，所有的模塊都被單獨(dú)調(diào)試，每次調(diào)試時保證系統(tǒng)中只有一個未知因素，其它因素或者環(huán)節(jié)已知或者可控。6.1測試環(huán)境（Testingenvironment）硬件原理圖開發(fā)工具為立創(chuàng)EDA，使用工具包括自制電路板，萬用表，對電路板進(jìn)行制板、芯片焊接、檢測、上電調(diào)試后，確認(rèn)功能正常，沒有出現(xiàn)短路等情況，然后進(jìn)行各個模塊的功能測試。測試項目包括溫濕度采集測試、有毒氣體濃度采集測試，藍(lán)牙通信通訊測試以及綜合測試等。調(diào)試與測試環(huán)境如圖6-1所示。圖6-1調(diào)試與測試環(huán)境Figure6-1Debuggingandtestingenvironment6.2藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸測試（Bluetoothdatatransmissiontest）在測試中，主要是通過手機(jī)藍(lán)牙APP接收數(shù)據(jù)傳輸單元發(fā)送過來的參數(shù)來得到傳感器采集到的數(shù)據(jù)，所以首先測試手機(jī)藍(lán)牙APP能否接收到傳感器采集到的數(shù)據(jù)。6.2.1溫濕度采集測試溫濕度傳感器選用DHT11溫濕度傳感器，通過手機(jī)藍(lán)牙APP接收數(shù)據(jù)傳輸單元發(fā)送過來的溫濕度參數(shù)，與當(dāng)前室溫對比進(jìn)行驗證。為避免其他部分影響，單獨(dú)使用STM32F103C8T6溫濕度測量程序進(jìn)行試驗和驗證。如圖6-2-1所示。圖6-2-1溫濕度采集測試 Figure6-2-1Temperatureandhumiditycollectiontest6.2.2有害氣體濃度采集測試同理遵循分布調(diào)試的原則，對系統(tǒng)有害氣體弄懂采集模塊進(jìn)行單獨(dú)測試。測試的有害氣體濃度采用MQ-5有害氣體傳感器，通過手機(jī)藍(lán)牙APP接收有害氣體濃度參數(shù)。如圖6-2-2所示。圖6-2-2有害氣體濃度采集測試Figure6-2-2.Collectionandtestingofhazardousgasconcentrations6.5本章小結(jié)(SummaryofthisChapter)本章以嵌入式環(huán)境監(jiān)控終端為測試對象，運(yùn)用軟硬件協(xié)同測試手段對其進(jìn)行了完全測試。完成了監(jiān)控終端的模塊級測試和系統(tǒng)級測試。用實驗手段驗證了嵌入式環(huán)境監(jiān)控終端的可靠性和有效性。經(jīng)過模塊測試和系統(tǒng)測試。7總結(jié)和展望7SummaryandProspect7.1主要結(jié)論（Mainconclusions）本文在研究了采空區(qū)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有的煤礦采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測方法的優(yōu)點和缺點，結(jié)合煤礦采空區(qū)的具體情況，。提出了一