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基于STM8和Android的多传感器大气环境监测应用与实现
摘要 随着目前我国经济建设的快速发展，环境问题逐渐成为一个困扰人们生活的问题，近几年全国各地频发的雾霾天气也使得人们对于大气环境问题愈发重视。因此，想要治理空气污染问题，实时了解环境情况是前提。随着物联网技术的发展，大气环境监测系统也是应运而生，制定一套安全、稳定、实时和准确的大气环境监测系统是十分有必要的。
阐述了整个系统的整体设计方案，以及需求分析。整个系统的节点主控芯片选择STM8单片机，主要介绍了开发板上主要部分的电路设计，接着介绍了温湿度传感器、光照传感器和PM2.5颗粒传感器。通过单片器内部定时器对各个传感器设置采集间隔，并通过串口连接Wi-Fi模块，通过Wi-Fi将处理好的数据发送出去。
本系统的客户端是通过Android实现的，整个Android系统通过套接字Socket接收数据，将数据保存于本地数据库，供用户查询。同时，将设计人性化的IU界面，数据将能够以折线图和列表的方式展现出来。
本文完成了对于节点主控芯片和各个传感器的选择，搭建了整个系统的网络，设计各个传感器的布局，同时设计程序能够进行数据处理，校验数据的正确与错误。另一方面设计一个完善的Android应用程序，能够在手机移动终端上实时观察监测的数据。在数据传输方面利用Wi-Fi能够良好的接收数据。
关键词：多传感器数据采集 STM8 Android
目录
第一章 绪论 1
1.1 选题的背景与意义 1
1.2国内外的研究情况 2
1.3 本论文的主要研究内容和论文结构 3
1.3.1 主要研究内容 3
1.3.2 论文结构 3
1.4 本章小结 4
第二章 系统整体设计 5
2.1 大气环境检测指标的选取 5
2.2大气环境检测系统的需求分析 5
2.3 大气环境监测系统数据的采集技术 5
2.3.1常用的无线传感技术 5
2.3.2 Wi-Fi模块的选择 7
2.4 系统整体设计 8
2.4.1 系统传感器节点设计 9
2.4.2 Android客户端的设计 9
2.5 本章小结 10
第三章 传感器节点选择与设计 11
3.1主控芯片类型 11
3.1.1主控芯片STM8介绍 11
3.1.2主控芯片STM8应用 12
3.2 温湿度传感器 15
3.3 光照度传感器 17
3.4 PM2.5传感器 17
3.5.1 开发环境搭建 19
3.5.2 节点软件设计 20
3.6本章小结 24
第四章 系统Android客户端设计 25
4.1 Android系统介绍 25
4.2 Android系统框架 25
4.3 Android四大基本组件和生命周期 27
4.3.1 Android四大基本组件 27
4.3.2 Android生命周期 28
4.4 Android数据存储 30
4.5 Android的Wi-Fi通信技术 31
4.6 Android的通信方式 32
4.7 Android多线程 34
4.8 Android开发环境搭建 35
4.9 客户端功能模块介绍 35
4.10 Android客户端具体设计 36
4.10.1 界面设计 36
4.10.2Wi-Fi建立 38
4.10.3 节点发送信号 38
4.10.4 Thread线程 39
4.10.5 SQLite数据库创建 39
4.10.6 开辟新线程并读取和发生送数据部分程序： 40
4.11 本章小结 41
第五章 系统测试 42
5.1 常用的测试方法 42
5.1.1 Alpha测试 42
5.1.2 Beta测试 42
5.1.3 单元测试 42
5.1.4 集成测试 42
5.1.5 系统测试 43
5.2 测试结果 43
5.2.1 系统节点测试 43
5.2.2 Android客户端测试 44
5.3 本章小结 47
第六章 结束语 48
致谢 49
参考文献 50
第一章 绪论
1.1 选题的背景与意义
随着人类社会文明的急速生产，城市人口急速增长，机动车数量快速增加，产业规模扩大，空气环境问题日益严重。尤其在经济飞速发展的那段时期，我国致力于经济的增长而忽略其他因素，如今各个省市的环境问题显得尤为严重，特别是近几年，我国北方许多部分地区出现了尤为严重的雾霾天气，严重影响了市民的日常生活，使得大气环境问题被人们尤其关注。根据研究统计，如今大部分人类都生活在相对较差的环境中，健康受到威胁，在另一方面，这也对经济工业等领域的发展制造了阻碍，因此要把大气环境的监测计划提上日程。
所以人们对于环境保护和环境监督提出了更高的目标，越来越多的企业和机构希望在环境监测方面开发出更好地技术。越来越多的城市已经着手准备对大气环境进行监控，环境监测系统也可以称为是一个环境数据管理系统，人们需要对环境进行采集、转发存储、数据分析等工作[1]。环境监测系统又是一个综合性平台，是一个测、控、管三位一体的系统，实时监测、分析数据，并且具有报警功能。
物联网技术使最近几年迅速发展起来的一种兴新产业，作为二十一世纪信息产业的新支柱。物联网产业 是新的科技革命到来的预兆，改变了人们日常生活方式，为社会进步注入了新的动力。物联网是一种基于互联网的新兴技术，它产生的目的是为了实现物物之间的通信。目前，物联网受到了各个国家的重视，并在许多领域得到了应用，相应的各种新兴技术例如智慧农业、快递、医疗监护等等方面。相对于大气环境监测，其手段是利用传感器技术达到对大气中温湿度、PM2.5等数据的监测，并且把这些采集到的数据传送到环保部门。利用物联网核心技术不仅能够精确检测大气中的有害气体，而且能够把数据实时传输出去，保证了监测的精确性和实时性。
“感知中国”的提出促进了传感器的发展，使早期使用的传感器(Dumb Sensor)逐步向智能化传感器(Smart Sensor)和嵌入式Web传感器(Embedded Web Sensor)的方向发展，同时，智能化、微型化、信息化、网络化正在渐渐地成为新型传感器的标准[2]。伴随着无线通信、微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanism System)、片上系统(SoC，System on Chip)和低功耗嵌入式技术的飞速发展,无线传感网络[1](Wireless Sensor Networks，WSN)技术开始进入了我们的视野。无线传感网技术正在以其独有的特征对信息感知领域进行一场巨大的变革。Android是一种以Linux为基础的操作系统，它是开源的，主要对象是手机、平板等移动终端，开发商是谷歌和开放移动联盟。Android操作系统最初是由安迪·鲁宾,主要对手机的支持 [3]。在后来一段时间后，Google宣布对Android的拥有权，并在此基础上做了很大的改进。Android系统到如今已经建立了多个版本，并且仍在不断更新。因为Android源代码的开源以及其终端设备的价格低廉，Android只能手机已经逐步普及，人们也可以利用Android手机达到各种各样的功能。
1.2国内外的研究情况
自从人们发现物联网这一技术之后，各国都开始在物联网发面做出发展，如“智慧地球”的提出。当然，事情也在亚洲掀起了一次次热潮，如日本的“U型”战略的实施，韩国的U-Korea战略对应。
而对于我国来说，我国也紧随世界的步伐，提出了“感知中国”的战略方针。尤其是在传感器网络方面尤为突出，我国已经成为一个国际领先的传感器网络标准化国家，并且这些物联网项目覆盖范围很广，国家工信部和发改委也不能推出各种政策来支撑物联网行业的成长，由此可见，物联网的发展在我国是十分迅速的，为了跟上欧美发达国家的步伐，我国的很多高校也都设立了物联网专业，并且在一定程度上进行了探索和研究。
大气环境监测技术是有国外发起，欧美等发达国家的经济和工业都领先于我们。大气环境，顾名思义，对应人们生活的空气质量。重工业等产业的发展必然会对环境造成污染，相应的，为了解决环境问题，环境监测技术作为最初的手段也开始出现。大气环境监测主要监测的内容包括一氧化碳、臭氧、氮氧化物、硫氧化物、卤代烃、碳氢化合物、粉尘含量等，我国的大气监测主要是对一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、臭氧浓度和空气的温湿度、风速以及空气中粉尘（pm2.5）的含量进行监测[4]，不同地区所监测的内容也依据需求而有差别。在以前，人们通常使用人工监测的手段。当计算机和各种电子产品被研发出来后，自动化变为了主流监控技术，在这几十年间，国外的环境监测技术逐步完善，拥有高端的检测设备并且监测手段也是多种多样。20世纪80年代，发达国家逐步开始进行实时环境监测系统的建立，开始对空气质量进行在线监控和实时反馈。对于环境的变换能够精确预报和预测，并能够及时准确的处理各种环境问题。随着GPRS全球定位系统的出现，检测的领域大大扩大，并且对于数据传输处理方面也带了极大地好处。这一技术是环境监测系统得到了长足的发展，环境监测也步入了一个及时、精准和安全的时期。Wi-Fi和其他无线通信技术的出现，是环境监测进入到一个全球化和网络化的阶段。
综上所述，我国大气环境与国外还是有很大差距，有些地区仍然使用人工来进行测量，数字传感器，嵌入式软件和计算机网络通信等高新技术还没有在该领域中发挥功能。因此，本文在对于大气环境监测系统有重要意义。
1.3 本论文的主要研究内容和论文结构
1.3.1 主要研究内容
按照上、下位机数据通信的需求构建系统的硬件平台。
本论文研究的是基于多传感器的大气环境监测系统。主要包含系统的硬件电路设计、数据的无线传输、Android系统开发。本文主要实现的是：
（1）构建一个完整的硬件平台，实现单片机和客户端的数据通信。
（2）为系统选择和添加最具性价比的传感器。
（3）设计Android客户端界面。
（4）通过Wi-Fi搭建硬件平台与Android平台的数据通信和传输。
（5）利用Android平台的多线程技术，采用后台实时采集功能，实时监测各个环境的数据。
1.3.2 论文结构
第一章 前言，详细论述了论文产生的背景，阐述了世界范围内物联网技术和大气环境监测系统的发展近况，以及本课题所具有的研究意义，介绍整篇论文的结构布局。
第二章 选取所要监测大气环境数据监测指标，对于需求进行完整分析，常用的无线传感技术的介绍以及最终选择哪一种技术，介绍整个系统的设计框架以及对各个部分的介绍。
第三章 节点主控单元MCU的选择，介绍市面上常用的单片机和它们的优缺点，以及最终选用的单片机型号。同时对于各个传感器节点和网关节点的的各个模块构成的具体实现。
第四章 对于Android系统的介绍。简单阐述Android的基本框架和结构。着重介绍Android之中Activity的生命周期，以及用来存储数据的SQLite数据库。简单介绍了Android开源图表设计库AchartEngine。最后对客户端的各部分功能和使用方法进行介绍。
第五章简单介绍了软件测试的各种方法，然后对本系统进行功能和性能上的测试。
第六章总结展望。
参考文献:
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