基于PIC32的环境质量监测系统

1. 摘要

环境中空气质量的好坏反映了环境的污染程度，它是依据空气中污染物浓度的高低来判断的。空气污染是一个复杂的现象，在特定时间和地点空气污染物浓度受到许多因素影响。来自固定和流动污染源的人为污染物排放大小是影响空气质量的最主要因素之一，其中包括车辆、船舶、飞机的尾气、工业企业生产排放、居民生活和取暖、垃圾焚烧等。城市的发展密度、地形地貌和气象等也是影响空气质量的重要因素。

环境污染问题一直是困扰大家的一块心病，其重要原因之一是没有能够根据具体的准确的环境质量参数采取有效的措施。基于此，本方案将实现一款准确采集环境各方面参数并进行或存储或传输的高质量环境监测系统。

2. 技术原理

为了改善环境空气质量，防止生态破坏，创造清洁适宜的环境，保护人体健康，我国根据《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国大气污染防治法》制定了《环境空气质量标准》（GB3095-1996）。这个标准规定了环境空气质量功能区划分、标准分级、主要污染物项目和这些污染物在各个级别下的浓度限值等，是评价空气质量好坏的科学依据。

为了能准确的判断出环境空气质量，本设计拟通过各种传感器采集到环境质量参数，经滤波，去噪等算法处理后综合得出质量等级。将此等级与B3095-1996进行对比即可大概判定质量好坏。

一方面，主控制器通过IO接口控制温湿度传感器、紫外线传感器、空气质量传感器，收集其采集到的原始环境空气参数。由采样定理可知：采样频率等于信号频率2倍以上时才能准确恢复原始信号。即，要获得真实的环境质量参数，必须满足以下式子：

f(s)≥2f(q) 

其中，f(s)为采样频率，f(q)为被采样信号频率。在实际应用中，一般取f(s)=5f(q)。对于本系统来说，实际的温度、湿度都是低频信号，很容易就可以满足以上采样条件。

另外一方面，在数据传输方面，本设计可以灵活的使用，可以根据安装地点的特点选择不同的传输模式：

①当安装地点的网络不发达时，可以使用其数据存储功能，将采集到的环境数据存储于NANDFLASH芯片，然后定期去收集。

②当安装地点的网络发达时，可以将其联网，通过网络将采集的环境数据实时传回PC控制台。

在这个系统中，需要及时传输采集到的环境参数，这就需要系统拥有良好的实时性。综合各种实时系统的优缺点，本方案选择了 uc/os-II 实时操作系统。本操作系统在满足方案实时性的要求的同时，最大的优点是其系统内核全用c语言实现，具有较强的移植性，能大大加快方案的实施进度。而且，其应用在这类作为学习开发目的的项目中是免费的。

另外，由于要传输的数据是通过多个传感器采集并由MCU处理过的数据，在量上不及语音通话、PC通信这样大，所以本设计计划移植轻量级TCPIP协议栈LWIP（Low Lewal IP）来实现数据网络传输。基于LWIP的开源性和大量的开发资料，再结合PIC32的技术支持，相信这块也能较好的完成。

3. 硬件选型

本方案拟采用PIC32 Ethernet Starter Kit开发板作为硬件平台的主板，理由基于她的网络接口可以很好的完成本设计的实时传输数据任务的要求；而且，其USB模块也能够很好的将采集并存储在NANDFLASH中的数据上传至上位设备。PIC32强大的接口（如串口、I2C、CAN控制器等），也能够很好的为软件调试、功能扩展、参数调试等带来便捷。再者，PIC32的节能模式（如空闲模式、休眠模式等）也在环保节能方面有突出表现。

本方案计划将小型实时操作系统UC/OS-II移植到PIC32上，因为PIC32的足够的片上资源，足以满足UC/OS的要求。这样，各个模块功能就可以很好的相对独立的运行（如软件流程所述，各个功能占据一个任务），整机的运行也不至于因为某个细节的出错而中断，能够很好的满足实时性的要求！选择这个RTOS不仅因为其代码量不大能很好的裁剪，也由于本人一直在使用UC/OS-II，相对来说对其移植、编程等都相当熟悉。

在数据采集方面，方案使用了传感器。相对来说，传感器的使用不是太难，购买也比较方便。主要用了：空气质量传感器（采集二氧化硫，氮氧化物等有害物的浓度数据）、紫外线传感器（采集紫外线强度）、湿度传感器（采集周围环境湿度数据）、温度传感器（采集周围环境温度数据）。

在数据存储方面，采用了容量可达GB的非易失性存储芯片NANDFLAH，具体可采用三星公司生产的芯片。由于本人以前从事过三星公司NANDFLASH相关芯片的开发，所以，作为可扩展的功能，NANDFLAH存储数据方面应该不会太难。