0 引言

    隨著物聯網時代的到來，智能嵌入技術、傳感器技術將得到更加廣泛的應用。物聯網是在原有的互聯網的基礎上，利用有線、無線數據通信技術，將所有物品與網絡相聯，構建覆蓋世界上萬事萬物的互聯網絡。用戶終端從傳統的PC延伸擴展到任何物品與物品之間的信息交換和通信^[1]。

    由于工業(yè)生產、日常生活中各種化學品及裝飾裝修材料的普遍使用，空氣中過量的有害氣體導致安全事故頻發(fā)及大量的人體疾病發(fā)生。而在一些發(fā)達國家與地區(qū)已相繼建立了比較完整的空氣質量監(jiān)測網絡^[2]。順應物聯網發(fā)展形勢，空氣質量遠程監(jiān)測勢必覆蓋人們生活的每個區(qū)域，對提高生活質量是非常必要的。

    當前主流的空氣質量監(jiān)測儀價格普遍高，檢測氣體種類單一，且國內大多數空氣質量監(jiān)測系統都采用Modem通信^[3]。本文將詳細介紹基于嵌入式Web服務器的無線空氣質量監(jiān)測系統，將空氣質量監(jiān)測技術和互聯網結合，使便攜嵌入式檢測設備可以直接接入互聯網，遠程在瀏覽器上獲得監(jiān)測點的實時數據，實現對空氣中常見的四類有害氣體的實時監(jiān)測。

1 系統的總體設計

    基于嵌入式Web服務器的無線空氣質量監(jiān)測系統設計包含兩大部分，探測節(jié)點和監(jiān)測終端服務器。探測節(jié)點負責采集當前溫濕度和有害氣體濃度，并通過無線傳輸模塊傳給監(jiān)測服務器終端；在監(jiān)測終端，接收各節(jié)點發(fā)回的數據，將監(jiān)測數據利用互聯網進行遠程傳輸，遠程PC可通過網頁獲得當前監(jiān)測數據。

    探測節(jié)點散布于監(jiān)測環(huán)境的各個點上，負責采集當前氣體濃度，選擇生活中最常見的一氧化碳、室內VOC（Volatile Organic Compounds，如甲醛、苯、二甲苯等）、煙霧、可燃氣體(如天然氣、液化氣、煤氣、烷類等)為目標氣體，利用四顆傳感器分別將四類氣體濃度轉化為電信號，用于單片機處理。本地由LCD顯示數據，并在氣體濃度超標時產生聲音和發(fā)光報警。同時PC只需訪問該Web服務器的IP地址就可獲得當前監(jiān)測點的各氣體濃度等級、報警情況等。系統框圖如圖1所示。

2 系統的硬件設計

2.1 前端信號采集

    前端信息采集需完成氣體濃度到電信號的轉換、信號的濾波和放大處理，使單片機在最合適的電壓范圍內進行采樣以得到最高的精度。針對一氧化碳、VOC、煙霧、可燃氣體四類有害氣體，分別采用了以下四款傳感器：MS22OO、MS1100、MS5100、MC101，其中，前三款均為非線性傳感器，第四款為線性傳感器。

    MS22OO、MS1100、MS5100這三款氣體傳感器均采用SnO2氣敏元件制成，利用半導體材料接觸氣體時其阻值的改變來檢測氣體的成分或濃度，將化學量轉換成電信號，都滿足以下計算。傳感器內阻值R_s與空氣中被測氣體濃度C成對數關系，求得C=f(R_s，gas)，如式(1)：

式中，n與氣體檢測靈敏度有關，隨材料和氣體種類、測量溫度以及添加劑的不同而變化，從手冊給出的氣體與濃度映射曲線中，取一點坐標(C，R_s，gas)值求得確定的n；β為氣體分離度，隨氣體濃度變化；R_s，air是傳感器在純凈空氣中的輸出電阻，R_s，gas是傳感器在檢測氣體中的輸出電阻。

    MC101傳感器檢測空氣中的可燃氣體。其內部由檢測元件和補償元件分別構成電橋的兩個橋臂。當氣體接觸到傳感器時，檢測元件開始催化燃燒，補償元件保持不變，因而電橋的橋臂阻值發(fā)生變化，產生一個失衡電壓。該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補償元件起參比及溫度補償作用?；谶@一原理，該傳感器具有良好的線性度。

2.2 無線傳輸模塊

    無線傳輸模塊是本設計的重要組成部分。本系統選擇CC1100作為無線芯片，CC1100是一種低成本單片的特高頻(UHF)收發(fā)器，為極低功耗的無線應用而設計，具有體積小發(fā)射功率高、功耗低、外圍電路簡單、傳輸速度快、靈敏度高等特點。它主要應用于低功率遙感勘測、住宅和建筑自動控制、無線警報和安全系統、工業(yè)監(jiān)測和控制、無線傳感網絡等領域。

    CC1100應用電路如圖2所示。CC1100的SI、SCLK、SO引腳為SPI接口。SI為數據輸入，SO為數據輸出，SCLK為時鐘輸入。CSn是數字輸入腳，用于芯片選擇。GDO0為數字輸入/輸出腳，GDO2為一般用途的數字輸出腳，都用于測試信號、FIFO狀態(tài)信號等。這些接口都與單片機的I/O口連接，簡單方便地實現無線傳輸功能。

2.3 網絡通信模塊

    目前單片機系統主要通過RS232、RS485和CAN總線協議通信，要想直接與互聯網連接必須進行通信接口改造。

    該模塊由以太網控制器CS8900A和網絡變壓器20F-01R組成，利用單片機普通I/O口實現與RJ-45以太網接口的通信，如圖3所示。CS8900A是用于嵌入式設備的低成本以太局域網控制器，數據傳輸穩(wěn)定性高，受外界干擾小，易實現，成本低，性能優(yōu)越，集成度高，占用系統資源少，硬件連接簡單。它主要為嵌入式應用系統、便攜式產品和某些適配卡等提供一種切實可行的以太網解決方案^[4]。

    系統中以太網控制器CS8900A工作在8位I/O模式，8根數據線、4根控制線、讀寫控制線均直接與單片機I/O口連接，外部需接20 MHz的無源晶振，主要電路如圖3。網絡變壓器20F-01R位于在以太網控制器與RJ-45接口之間，用于傳輸信號的電平轉換和隔離，防止外部線路干擾，允許帶電拔插。該設計方案使得普通的單片機系統方便地接入到以太網，實現信息的遠距離傳輸和共享。

2.4 嵌入式控制系統

    核心控制系統分為探測節(jié)點和監(jiān)測終端兩部分，探測節(jié)點完成數據采樣、處理、無線傳輸、本地顯示、聲光報警等功能，監(jiān)測終端完成無線傳輸和嵌入式Web服務器功能。

    在控制單元中，采用TI公司的16位單片機MSP430F5438。它功耗低，內部資源豐富，自帶12位A/D轉換器，簡化了外圍電路，同時也提高了系統的可靠性。根據設計需要，選用低功耗LCD液晶顯示屏FM12232F顯示氣體名稱、濃度、級別。

    當室內有害氣體濃度超過設定標準時，必須通過報警提示用戶。除了遠程網頁上需要設置報警提示外，本地使用LED燈閃爍和蜂鳴器發(fā)聲報警。每顆LED燈分別對應一種氣體，當任意一類氣體含量超標時，蜂鳴器都會嘯叫，且相應的LED燈閃爍。

    電源管理模塊為整個系統提供所需電壓的供電。該設備共需要兩種電壓：3.3 V和5 V?？紤]到本監(jiān)測設備的便攜性和在固定點可長時間監(jiān)測的特點，設計了兩種供電方式：一是兩顆鋰電池串聯獲得8.4 V的額定電壓，使用LDO芯片LM7805使輸出電壓為穩(wěn)定的5 V；二是家用交流電供電，通過變壓器獲得5 V電壓。在此基礎上，再經過LDO芯片TLV1117-3.3，將5 V電壓轉換至3.3 V，如圖4所示。因此，既方便作為手持檢測設備，又可適用于組網長時間定點監(jiān)測。

3 系統軟件設計

    探測節(jié)點程序流程如圖5所示。在探測節(jié)點，單片機通過對傳感器采集到的電壓信號進行AD采樣，確定采集的電壓信號與氣體濃度的函數關系，將測試結果映射到濃度值-等級表中，得到等級和超標信息，然后，控制顯示數據、濃度超標報警提示。

    信號采集和數據處理對于系統整體實現非常重要。四顆傳感器分別采集CO、VOC、煙霧、可燃氣體濃度，通過單片機P6.0-P6.3端口送入內部AD模塊進行采樣，獲得四路電壓值數據。由理論分析，分別將電壓值轉化為濃度值并劃分等級。根據相關的標準和實際考慮，將CO、VOC、可燃氣體、煙霧的報警閾值分別設為：8 ppm、0.134 ppm、1.25%、200 ppm^[5](數據參考GB/T18883-2002室內空氣質量標準)。

    無線傳輸完成探測節(jié)點與監(jiān)測終端之間的數據交換，是本系統可以靈活應用的重要功能。單片機通過一個簡單的4-wire SPI兼容接口(SI、SO、SCLK和CSn)對CC1100進行配置，此時 CC1100 作為單片機的從屬器件。SPI 接口上的所有數據傳輸均以最高位開始，同時可以用于寫入和讀取緩沖數據。探測節(jié)點收到發(fā)送命令，與終端完成握手，然后將數據打包發(fā)送出去。監(jiān)測終端接收到接收命令，發(fā)出應答信號，開始接收數據，接收完成后進入等待狀態(tài)。監(jiān)測終端程序流程如圖6所示。

    監(jiān)測終端實現系統與互聯網之間的遠程數據傳輸。網絡通信的軟件設計包含TCP/IP協議設計和以太網控制器控制程序兩部分。以太網控制程序中，單片機要完成對CS8900A的初始化以及數據的解包和打包、控制CS8900A的數據收發(fā)、對其進行驅動，以函數的形式給其他模塊提供讀寫其寄存器的接口、產生讀寫時鐘等。以太網控制流程如圖7所示。

    利用單片機實現嵌入式Web的難點在于利用單片機有限的資源對數據進行TCP/IP協議處理，使IP數據包可在Internet上傳輸。標準TCP/IP協議實現非常復雜，對處理器的要求也非常高，設計嵌入式系統并不要求實現所有的TCP/IP協議，根據嵌入式硬件環(huán)境，針對TCP/IP協議不同層次的特點，對標準的TCP/IP協議進行裁減，保留必需的協議族滿足與以太網通信的基本需求。圖8為精簡TCP/IP的實現模型^[6-7]。

4 結論

    本文細述了基于嵌入式Web的便攜嵌入式空氣質量監(jiān)測系統的設計與實現過程。通過對嵌入式設備的硬件接口改造，同時將精簡TCP/IP協議棧嵌入MSP430單片機，使其可通過RJ45接口將檢測儀接入網絡，作為Web服務器，供多臺遠程PC同時訪問。經測試，系統具備氣體濃度采集、分析、顯示、超閾值報警、遠程監(jiān)測等功能。針對多種有害氣體的同時監(jiān)測，有助于從多方面對空氣中有害氣體含量作綜合判斷。該設備小巧輕便，也可作普通的測試儀器使用。

    全面感知、可靠傳送、智能處理是物聯網的三個重要特征，嵌入式技術的發(fā)展和網絡接入多樣化都將不斷地推動物聯網發(fā)展進程，逐步滿足對生產過程、家居生活監(jiān)控、遠程數據采集和測量、遠程診斷等方面的信息化需求。

參考文獻

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