文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2015)05-0039-04
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及大量的人體疾病發生。而在一些發達國家與地區已相繼建立了比較完整的空氣質量監測網絡[2]。順應物聯網發展形勢，空氣質量遠程監測勢必覆蓋人們生活的每個區域，對提高生活質量是非常必要的。
當前主流的空氣質量監測儀價格普遍高，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測系統，將空氣質量監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測系統設計包含兩大部分，探測節點和監測終端服務器。探測節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測服務器終端；在監測終端，接收各節點發回的數據，將監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測數據。
探測節點散布于監測環境的各個點上，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Rs與空氣中被測氣體濃度C成對數關系，
求得C=f(Rs，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，Rs，gas)值求得確定的n；β為氣體分離度，隨氣體濃度變化；Rs，air是傳感器在純凈空氣中的輸出電阻，Rs，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。基于這一原理，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)收發器，為極低功耗的無線應用而設計，具有體積小發射功率高、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、工業監測和控制、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，數據傳輸穩定性高，受外界干擾小，易實現，成本低，性能優越，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點和監測終端兩部分，探測節點完成數據采樣、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。考慮到本監測設備的便攜性和在固定點可長時間監測的特點，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測。
3 系統軟件設計
探測節點程序流程如圖5所示。在探測節點，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點與監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。探測節點收到發送命令，與終端完成握手，然后將數據打包發送出去。監測終端接收到接收命令，發出應答信號，開始接收數據，接收完成后進入等待狀態。監測終端程序流程如圖6所示。
監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、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、遠程監測等功能。針對多種有害氣體的同時監測，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，嵌入式技術的發展和網絡接入多樣化都將不斷地推動物聯網發展進程，逐步滿足對生產過程、家居生活監控、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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