基于單片機的分布式無線氣體監測裝置

夏 駿，王 甜

(陜西理工學院物理與電信工程學院，陜西 漢中 723000)

目前，在實際生產、生活的諸多領域中，氣體檢測都有著廣泛的應用，它不僅適用于石油、化工、冶金等工業現場，也同樣適用于家庭、商場、加油站等各種生活服務場所。不過，正是因為其適用領域較多，而帶來了一系列問題。例如，有些場合由于環境復雜，線路鋪設、檢修十分困難，而且線路故障、老化等不可見因素的存在，也成為了安全隱患。其次，不同的領域對于檢測氣體的類型需求也不同，市場上出現了多種類型的氣體檢測裝置，雖然也可達到用戶要求，但是這無疑提高了成本，降低了裝置的適用性，造成資源浪費。針對這些問題，設計了一種可靠的能夠讓用戶自行選擇檢測氣體種類的分布式無線氣體檢測裝置，用來應對復雜高危的工作環境，解決有線傳輸帶來的布線困難、故障檢查困難等缺點，最大程度上滿足不同用戶的需求，提高系統的適應性和監測能力［1］。

1 系統設計

設計的氣體監測裝置以多功能、易操作、穩定可靠為目的，實現多種氣體無線監測的功能，系統結構框圖如圖1所示。首先，用戶根據具體需要，確定要監測的氣體種類，選擇特定的傳感模塊，并接入到分機指定的接口，系統設計最多可接入8種不同的氣體檢測模塊。系統正常工作時，分機監測各氣體傳感模塊，一旦發現某氣體濃度超標，單片機接收到相應氣體傳感器發出的信號，啟動無線發射單元，向主機發送信息。主機接收到的數據，經過處理分析，送到液晶顯示，并啟動報警電路。

圖1 系統結構框圖

2 MQ系列氣體傳感模塊

在選擇傳感器時，一定要考慮到穩定性、靈敏度、選擇性和抗腐蝕性，系統采用MQ系列的氣體傳感器來監測氣體濃度信息。MQ系列氣體傳感器是氣敏傳感器，其具有很高的靈敏度良好的選擇性、長期的使用壽命和可靠的穩定性。MQ型氣敏傳感器由微型陶瓷管和敏感層，測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。該系列氣敏傳感器類型全面，包括MQ－2煙霧傳感器、MQ－3酒精傳感器、MQ－4甲烷傳感器、MQ－5液化氣傳感器、MQ－8氫氣傳感器等多種氣敏傳感器，同時各個傳感器之間電路通用性強［2］，能夠滿足不同場所中的氣體檢測要求。

MQ系列氣體傳感模塊設有雙路信號輸出，設計中由于可監測氣體種類較多，使用TTL電平輸出可減少單片機的數據量，提高系統穩定性，其接口電路如圖2所示。

圖2 氣敏傳感模塊接口電路

3 NRF905無線收發模塊

系統選用以挪威Nordic公司生產的無線數傳芯片NRF905為核心設計的NRF905無線數據收發模塊。該模塊具有以下特點［3］:(1)工作電源電壓范圍1.9～3.6 V。(2)輸出功率可調至10 dBm。(3)偵測接收的數據包、當地址正確輸出地址匹配信號。(4)數據包自動重發功能。(5)自動產生CRC校驗碼和前導碼。(6)低工作電流，TX工作狀態在輸出功率為－10 dBm時典型值為11 mA，RX工作狀態，典型值為12.5 nA。(7)數據包發送:曼切斯特編碼，抗零電平能力強。(8)傳輸速率:100 kbit·s－1;工作頻率:433/868/915 MHz。

nRF905模塊具有ShockBurst接收、ShockBurst發射、掉電與SPI編程、待機與SPI編程4種工作模式，這4種模式的選擇通過對PWR_UP、TRX_CE和TX_EN的設置來決定［4］。nRF905模塊在ShockBurst工作模式的特點是自動產生前導碼和CRC校驗碼，使用SPI接口與微控制器通信。下面給出了nRF905模塊的SPI串行接口的指令設置［5］:

#define WC0x00//寫配置寄存器指令

#define RC0x10//讀配置寄存器指令

#define WTP0x20//向TX_Payload寄存器寫入發送有效數據指令

#define RTP0x21//從TX_Payload寄存器讀取發送有效數據指令

#define WTA 0x22//向TX_Address寄存器寫入發送地址指令

#define RTA 0x23//從TX_Address寄存器讀取發送地址指令

#define RRP 0x24//從RX_Payload寄存器讀取接收到的有效數據指令

綜上所述，NRF905具有通信速率快、微控制器編程工作量小、功耗低、提高抗干擾能力強等優點，滿足通信可靠性要求。同時，433 MHz的ISM頻段，具有較強的穿透能力和較遠的傳輸距離，可實現室內的較遠距離傳輸。圖3為NRF905芯片應用原理圖［6］。

圖3 NRF905應用原理圖

4 軟件設計

系統的程序流程如圖4所示，單片機可以通過上電復位實現系統裝置的重啟，并進行相應的模塊初始化。當分機氣體傳感器監測到氣體濃度超標后，給單片機發送信號，單片機判斷處理無誤后，啟動無線發送;主機接收到數據后，返回一個應答信號，分機復位，無線模塊恢復待機模式。主機開始對數據進行分析處理，而后將結果送入LCD顯示，并啟動報警電路，當對主機手動復位后，恢復正常工作模式，繼續檢測新數據。

圖4 程序流程圖

5 測試結果

在實驗中，系統一旦監測到當前區域內的氣體濃度大于所設定的閾值時，自動發出報警信號，并通過液晶顯示當前的超標氣體類型及相關監測點地址等信息，待監測范圍內的氣體濃度值恢復正常或被手動復位后，停止報警。經測試發現，該裝置在室內實際收發距離約為50 m，室外開闊地帶通信距離最遠可達200 m，短距離數據傳輸穩定可靠，但實際應用中由于環境復雜，有時需要較遠距離的數據通信。為解決這一問題，特對系統設計做出了一些改進，通過增設中繼機，作為數據傳輸樞紐，可大幅增加系統的數據傳輸范圍，使系統的適應性得到提高。

6 結束語

系統的創新之處在于:采用分布式無線通信進行數據傳輸和同系列多種氣體傳感模塊的配合使用，系統根據具體需要，可以完成各類氣體的監測工作。通過設置中繼機，還可增加通信距離，有效解決了各工作現場環境復雜的問題，具有良好的應用前景。

［1］甄麗平，司紹偉.具有無線收發功能的氣體檢測裝置設計［J］.中國科技信息，2011(9):166 －167.

［2］李麗華，黃秋野，王琦.基于單片機的酒精濃度檢測儀設計［J］.科技廣場，2009(3):166－168.

［3］楊進寶.基于nRF905的醫院病房無線呼叫系統設計［J］.企業技術開發:學術版，2011，30(11):11 －13.

［4］馬金祥，何一鳴.基于nRF905模塊的AT89S單片機無線收發系統設計［J］.通信技術，2009，42(2)36 －38.

［5］王萍，陳長青，龔睿，等.基于 nRF905的無線串口通信系統［J］.微計算機信息，2007(32):281－282.

［6］禹春生，王朝暉，焦斌亮.具有無線收發功能的可燃氣體檢測裝置［J］.傳感器與微系統，2010，29(6):118 －119.

［7］郭天祥.51單片機C語言教程［M］.北京:電子工業出版社，2009(3):65－69.