Во введении дается общее описание курсовой работы, обосновывается актуальность темы и определяется цель исследования. Будет представлена краткая характеристика проблемы загрязнения воздуха CO2 в школьных помещениях и ее влияние на здоровье обучающихся. Описываются задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, и методы исследования, используемые в работе. Также во введении будет представлена структура курсовой работы, определяющая порядок изложения материала.

В данном разделе будут рассмотрены физические и химические свойства углекислого газа, а также принципы его измерения. Будут изучены различные типы датчиков CO2, их характеристики, преимущества и недостатки. Рассмотрены методы измерения такими датчиками, такие как недисперсионное инфракрасное измерение (NDIR), электрохимические датчики, а также принципы работы каждого из них. Также будет данных сравнительный анализ различных типов датчиков CO2 и выбор оптимального датчика для использования в разработанном сенсорном узле.

Здесь подробно будет рассмотрен принцип работы недисперсионных инфракрасных (NDIR) датчиков CO2, который является наиболее распространенным и точным методом измерения. Будут объяснены процессы поглощения инфракрасного излучения молекулами CO2 и принципы преобразования этого поглощения в электрический сигнал. Также будут рассмотрены различные конструкции NDIR датчиков, такие как датчики с одно- и двухлучевой оптической системой и факторы, влияющие на точность измерений, такие как температура и влажность воздуха.

В этом подразделе будут описаны электрохимические датчики CO2, их принцип работы, преимущества и недостатки по сравнению с NDIR датчиками. Будет рассмотрена химическая реакция, происходящая в датчике при контакте с CO2, и принципы преобразования этой реакции в электрический сигнал. Также будут рассмотрены факторы, влияющие на срок службы и стабильность электрохимических датчиков, такие как температура, влажность и концентрация других газов.

В данном разделе будет проведен сравнительный анализ различных методов измерения концентрации CO2, включая NDIR, электрохимические и полупроводниковые датчики. Будут рассмотрены такие параметры, как точность, чувствительность, скорость отклика, стоимость и энергопотребление. Сравнение будет выполнено на основе результатов исследований и технических характеристик различных типов датчиков, с целью выбора оптимального решения для разработанного проекта.

В данном разделе будут изучены различные беспроводные технологии, пригодные для передачи данных от сенсорного узла CO2 на центральный сервер. Будут рассмотрены такие протоколы, как Wi-Fi, Bluetooth, LoRaWAN и Zigbee, с оценкой их преимуществ и недостатков для конкретной задачи. Будет проведен анализ характеристик каждой технологии, таких как дальность действия, пропускная способность, энергопотребление и надежность передачи данных. Также будет рассмотрена структура протокола передачи данных и примеры реализации обмена информацией между сенсорным узлом и сервером.

В этом подразделе будет проведено детальное сравнение беспроводных технологий Wi-Fi и Bluetooth с точки зрения их применимости в системах мониторинга CO2. Будут рассмотрены такие параметры, как дальность действия, пропускная способность, энергопотребление, простота интеграции и безопасность передачи данных. Также будет проанализировано применение этих технологий в различных сценариях, таких как мониторинг концентрации CO2 в отдельных помещениях и создание сети датчиков для мониторинга большого здания.

Здесь будет рассмотрена технология LoRaWAN, предназначенная для передачи данных на большие расстояния с низким энергопотреблением. Будут описаны принципы работы LoRaWAN сети, архитектура и протоколы взаимодействия. Также будут рассмотрены преимущества и недостатки LoRaWAN по сравнению с другими беспроводными технологиями, такие как небольшая пропускная способность и зависимость от наличия базовых станций.

В этом подразделе будет изучен протокол Zigbee, предназначенный для создания Mesh-сетей, обеспечивающих надежную передачу данных в условиях сложной инфраструктуры. Будут рассмотрены преимущества и недостатки Zigbee, такие как низкое энергопотребление, высокая надежность и сложность настройки. Также будет проанализировано применение Zigbee в системах мониторинга CO2 с использованием множества датчиков.

В данном разделе будет рассмотрен выбор микроконтроллера для управления сенсорным узлом CO2, с учетом требований к производительности, энергопотреблению и наличию необходимых интерфейсов. Будет проведен анализ различных микроконтроллеров, таких как Arduino, ESP32 и STM32, с оценкой их характеристик и возможностей. Также будут рассмотрены периферийные устройства, необходимые для работы сенсорного узла, такие как аналого-цифровые преобразователи, модули беспроводной связи и источники питания.

В этом подразделе будет рассмотрена платформа Arduino, широко используемая для быстрого прототипирования и разработки электронных устройств. Будут описаны преимущества и недостатки Arduino, такие как простота программирования, большое сообщество пользователей и ограниченные ресурсы. Также будет проанализировано применение Arduino в задачах мониторинга CO2 и возможности расширения функциональности с помощью дополнительных модулей.

Здесь будет изучен микроконтроллер ESP32, сочетающий в себе высокую производительность и встроенные модули Wi-Fi и Bluetooth. Будут рассмотрены преимущества и недостатки ESP32, такие как доступная цена, широкие возможности подключения и сложность программирования. Также будет проанализировано применение ESP32 в системах мониторинга CO2 с беспроводной передачей данных.

В этом подразделе будет рассмотрена серия микроконтроллеров STM32, отличающаяся высокой производительностью и низким энергопотреблением. Будут описаны преимущества и недостатки STM32, такие как широкие возможности программирования, множество периферийных устройств и сложность освоения. Также будет проанализировано применение STM32 в задачах мониторинга CO2, требующих высокой точности и надежности.

В данном разделе будет описан процесс разработки программного обеспечения для сенсорного узла CO2, включая выбор языка программирования, разработку алгоритмов обработки данных и реализацию протокола обмена данными. Будет рассмотрена структура программного кода и основные функциональные блоки, такие как сбор данных с датчика CO2, фильтрация и обработка данных, управление беспроводным модулем и передача данных на центральный сервер. Также будет описана разработка интерфейса для настройки и мониторинга работы сенсорного узла.

Здесь будут рассмотрены основные языки программирования, используемые для разработки программного обеспечения для микроконтроллеров, такие как C/C++, Python и MicroPython. Будут проанализированы преимущества и недостатки каждого языка, их особенности и возможности. Также будет рассмотрен выбор оптимального языка программирования для конкретной задачи, с учетом требований к производительности, простоте разработки и доступности библиотек.

В этом подразделе будут изучены алгоритмы фильтрации и обработки данных, используемые для повышения точности и надежности измерений CO2. Будут рассмотрены различные методы фильтрации, такие как скользящее среднее, медианный фильтр и фильтр Калмана. Также будет проанализировано применение этих алгоритмов для устранения шумов и выбросов в данных, полученных с датчика CO2.

Здесь будет описан протокол обмена данными между сенсорным узлом CO2 и центральным сервером. Будут рассмотрены форматы данных, методы кодирования и протоколы передачи данных, такие как MQTT, HTTP и CoAP. Также будет проанализировано применение этих протоколов для обеспечения надежной и безопасной передачи данных в режиме реального времени.

В данном разделе будет подробно описан процесс разработки и тестирования прототипа беспроводного сенсорного узла CO2. Будет представлена схема подключения компонентов, описание процесса сборки и программирования устройства. Также будут представлены результаты тестирования прототипа, включая оценку точности измерений, дальности действия беспроводной связи и энергопотребления. Будут проанализированы полученные результаты и предложены рекомендации по улучшению конструкции и программного обеспечения.

В заключении подводятся итоги выполненной курсовой работы, формулируются основные выводы и предлагаются перспективы дальнейших исследований. Будет оценена степень достижения поставленных целей и задач, а также практическая значимость разработанного устройства. В завершение будут сформулированы рекомендации по применению разработанного прототипа в школьных помещениях и дальнейшему развитию данной технологии.

В списке литературы приводятся все источники, использованные при написании курсовой работы, включая научные статьи, книги, техническую документацию и интернет-ресурсы. Список литературы оформляется в соответствии с требованиями ГОСТ.