【RT-Thread 作品秀】空气质量监测系统

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1. 概述

随着城市的扩张和经济的发展，大量的工业废气和汽车尾气等污染气体进入大气层，使得空气污染问题愈发严重。不仅有全球变暖这种国际性问题，还有雾霾等大气长期污染问题。除此之外，室内空气污染问题也不容忽视，吸烟、厨房油烟、室内装修材料散发的有机气体和放射性气体，以及粉尘螨和细菌等微生物，都是室内空气污染的帮凶。

你可能不知道，空气污染使九分之一的人丧命，且对我们的气候未来造成威胁。通过搭建一套空气质量监测系统，帮助你了解你的城市和家庭是否面临危险。

人无时无刻都在呼吸，长期生活在受污染的空气环境中，容易诱发慢性呼吸性疾病，甚至是肺癌。然而现实生活中，却很少人会关注与我们息息相关的空气质量。因此，本人基于雅特力 AT32F403-START 开发板和 RT-Thread 操作系统，搭配三个传感器模块共检测五种空气质量指标，分别是空气温度、湿度、颗粒物浓度、TVOC 浓度以及 CO₂ 浓度。为了增加数据分析和应用功能，同时考虑入网的便捷性，使用 NB-IoT 模块将数据上报到云端进行统计分析和存储，并开发微信小程序“空气侦探”方便用户随时随地查看数据。

系统分为感知层、网络层、平台层和应用层，整体方案如下图所示。

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2. RT-Thread 使用情况概述

RT-Thread 使用情况：

内核部分：RT-Thread 4.0.3
组件部分：sensor、at client、netdev、dfs
软件包部分：dhtxx、gy2y10、sgp30、littled、bc28_mqtt

（上述5个软件包均为本人亲手制作的，已贡献到 RT-Thread 软件包库，可在 http://packages.rt-thread.org/ 网页检索）

3. 硬件框架

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硬件方案介绍：

中间蓝色部分为主控模块，雅特力 AT32F403A 微控制器，运行 RT-Thread 物联网操作系统，负责驱动外部设备和系统逻辑控制；
左侧红色部分为传感模块，分别是单总线接口的 DHT22 温湿度传感器，ADC 接口的 GP2Y1014 灰尘传感器，以及 I²C 接口的 SGP30 气体传感器（检测 TVOC 和 CO₂）；
上方黄色部分为存储模块，为 AT32F403A-START 板载的 SPI Flash，负责在必要时存储传感数据；
右上方浅绿色部分为交互模块，通过板载按键和 LED 灯实现简单的交互功能；
右下方深绿色部分为通信模块，使用移远的 NB-IoT 模组 BC28 连接阿里云物联网平台，负责传感数据上报和逻辑数据通信。

4. 软件框架说明

整个系统主要分为设备端、云端、用户端三大块。设备端 MCU 运行 RT-Thread，主要负责采集传感器数据并将数据上报到云端；云端采用阿里云 IoT 平台接入设备，同时实现设备管理、数据转发功能，通过搭配 ECS、RDS 等云服务，实现数据存储和应用服务；用户端包括基于 IoT Studio 实现的 Web 页面和微信小程序，方面用户随时随地关注室内外的空气质量情况。

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具体到设备端，由于搭载 RT-Thread 物联网操作系统，使用软件包 dhtxx、gy2y10、sgp30 实现传感器模块底层驱动，软件包 bc28_mqtt 实现 NB 网络连接阿里云 IoT 平台，软件包 littled 实现 LED 灯的异步控制。因此业务逻辑变得简洁明了，完全在 main.c 中实现。

5. 软件模块说明

在 RT-Thread + 软件包的基础上进行应用程序开发，将任务分为三组线程，并使用信号量和事件集进行同步，使用邮箱和内存池进行通信。

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设备端应用层程序的三组线程分别是：

左侧红色部分为传感数据采集线程，dhtxx、gy2y10、sgp30 均已对接 sensor 框架，因此调用统一的 rt_device_xxx 接口进行操作；
中间蓝色部分为同步线程，负责协同不同速率的传感器，同时做一些本地数据处理，为数据上报做准备；
右侧绿色部分为数据上报线程，负责将传感器数据上报到云端。