分布式無線空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

(陜西理工學(xué)院物電學(xué)院，陜西 漢中 723000)

0 引言

室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)包括對人體健康有影響的物理、化學(xué)、生物、放射性以及可吸入顆粒參數(shù)。室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣，對人體健康的影響越來越大。傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測儀器主要有兩種：一是利用手持式儀器進(jìn)行人工監(jiān)測，該儀器存在工作量大、效率低等缺點(diǎn)；二是采用多點(diǎn)有線傳輸儀器進(jìn)行監(jiān)測，該方法存在系統(tǒng)擴(kuò)展能力差、布線繁瑣、代價(jià)過高等缺點(diǎn)。近年來，國內(nèi)一些企業(yè)和人員做過無線空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)，但這些產(chǎn)品價(jià)格普遍比較昂貴，普及難度較大，并且未考慮到部分行業(yè)及場所的空間限制以及操作人員水平等的實(shí)際情況，適用性差，未被廣泛應(yīng)用[1]。

本文將無線通信技術(shù)應(yīng)用到空氣質(zhì)量監(jiān)測中，由傳感器實(shí)時(shí)采集各測量點(diǎn)空氣質(zhì)量的信息。空氣質(zhì)量信息經(jīng)處理器處理后，通過無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端。操作者可以在手持終端選擇測試點(diǎn)，將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后在手持終端的顯示屏上顯示，從而實(shí)現(xiàn)集成化、低成本和易操作的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由一個(gè)主機(jī)與多個(gè)從機(jī)組成，主機(jī)主要包括微處理器、無線接收模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊和報(bào)警模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

從機(jī)主要由信號檢測模塊、無線發(fā)射模塊、微處理器、A/D轉(zhuǎn)換器、按鍵開關(guān)模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。從機(jī)通過煙霧傳感器將煙霧濃度轉(zhuǎn)化為模擬電信號，然后經(jīng)過高速A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號快速地轉(zhuǎn)換為微控制器可用的數(shù)字信號。微控制器通過模擬的SPI總線將數(shù)據(jù)傳輸給無線模塊，同時(shí)激發(fā)無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

圖2 從機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

主機(jī)上電后，將無線模塊置于接收狀態(tài)，等待從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)測到從機(jī)有數(shù)據(jù)發(fā)送且載波頻率與地址匹配后，主機(jī)無線模塊開始接收從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。接收完數(shù)據(jù)后，無線模塊nRF905自動(dòng)去除前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼 ，將有效數(shù)據(jù)存儲在接收寄存器中。微處理器通過模擬SPI總線從nRF905的讀數(shù)據(jù)寄存器中讀取從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，完成無線數(shù)據(jù)通信。主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)處理成相應(yīng)的氣體靈敏度，調(diào)用串行液晶程序，在液晶相應(yīng)位置顯示出氣體靈敏度值。由于系統(tǒng)為分布式空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，主機(jī)要監(jiān)測多個(gè)測量點(diǎn)的空氣質(zhì)量，因此，主機(jī)須與多個(gè)從機(jī)建立通信。不同從機(jī)配有各自的通信地址，主機(jī)通過分時(shí)查詢地址的方式與從機(jī)建立通信，接收各從機(jī)的數(shù)據(jù)。按鍵模塊可設(shè)置各監(jiān)測點(diǎn)空氣靈敏度報(bào)警閾限。當(dāng)某監(jiān)測點(diǎn)空氣污染超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警電路，發(fā)出報(bào)警提示[2-5]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 無線收發(fā)模塊電路

無線收發(fā)模塊采用nRF905芯片，主要完成從機(jī)與主機(jī)的無線數(shù)據(jù)通信。nRF905通過SPI總線與單片機(jī)進(jìn)行雙向通信。由于STC89C51內(nèi)部未集成SPI總線模塊，因此需要模擬SPI總線時(shí)序，總線需占用單片機(jī)4個(gè)I/O口，其中MISO與單片機(jī)P3.0口相連，MOSI(SPI數(shù)據(jù)輸入)與單片機(jī)P1.4端口相連，SCK(SPI時(shí)鐘)與單片機(jī)P1.6相連，CSN(SPI時(shí)能)與單片機(jī)P1.5相連。nRF905有4種工作模式、2種節(jié)能模式(掉電和SPI編程模式)、2種活動(dòng)模式(接收模式與發(fā)送模式)。模式的選擇主要通過TRXCE(與單片機(jī)P3.1連接)、TXEN(與單片機(jī)P1.0連接)、PWR_UP(與單片機(jī)P1.1連接)控制。nRF905在工作中有3種狀態(tài)，分別通過CD、DR和AM三個(gè)端口的狀態(tài)表示。在接收模式下，如果CD端口被檢測到高電平，則表示檢測到設(shè)定的載波頻率。當(dāng)AM被置高時(shí)，則表明接收到的數(shù)據(jù)地址匹配。如果檢測到接收數(shù)據(jù)中的CRC校驗(yàn)正確，接收到的有效數(shù)據(jù)被儲存且硬件置高DR時(shí)，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好。主機(jī)和從機(jī)的無線收發(fā)模塊與單片機(jī)的連接電路相同。端口連接電路原理圖如圖3所示。

圖3 端口連接電路原理圖

2.2 信號檢測電路

信號檢測電路采用TGS2600。TGS2600屬于一種空氣半導(dǎo)體器件，構(gòu)造簡單，主要由基板、氣敏元件與帶孔蓋帽組成。傳感器在工作時(shí)首先要加熱。當(dāng)有偵測氣體從蓋帽小孔進(jìn)入氣敏元件時(shí)，氣體與空氣中的O2在加熱的條件下會緩慢地進(jìn)行一種燃燒反應(yīng)，自由電子會大量增加，氣敏元件的電阻值將降低。利用此原理做一測量電路，將氣體濃度的變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化[6-9]。TGS2600對CH4、CO、C4H10、H2等化學(xué)氣體的靈敏度高，對香煙的煙霧或烹調(diào)臭味也有很高的靈敏度。傳感器測量電路如圖3所示，連接ADS7816的是傳感器測量電路。給VC與VH同時(shí)加入5 V直流電壓，使傳感器工作在最佳溫度，同時(shí)也使傳感器在室內(nèi)溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作。傳感器內(nèi)部測量電路可等效為一個(gè)串聯(lián)電路，RS隨空氣中污染物的濃度變化而變化，只要測出RS的阻值，通過轉(zhuǎn)換就可計(jì)算出空氣的靈敏度值。RL為負(fù)載電阻，一般取10 kΩ。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器采用ADS7816，ADS7816是低功耗的12位串行口模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。當(dāng)參考電壓VREF穩(wěn)定時(shí)，將參考電壓VREF分成4 096份，每份數(shù)字量對應(yīng)電壓值為LSB=VREF/4 096。而一個(gè)固定的模擬量對應(yīng)一個(gè)唯一的數(shù)字量，將數(shù)字量乘以LSB，就是當(dāng)前輸入模擬信號的電壓值。A/D轉(zhuǎn)換電路參照圖3所示電路。

2.4 液晶顯示電路

顯示模塊主要是將主機(jī)處理后的數(shù)據(jù)顯示出來。設(shè)計(jì)中單片機(jī)與液晶通信采用串行方式，單片機(jī)P2.5、P2.4、P2.3、P2.2、P2.0接液晶顯示器的RD、WR、LCDE、CS1、LRST端。

2.5 電源電路

單片機(jī)供電電壓為5 V，而無線模塊供電電壓為3.3 V，因此需要將5 V電壓穩(wěn)壓成3.3 V。設(shè)計(jì)中選用ASM1117直接將5 V電壓穩(wěn)壓到3.3 V。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)處理器是兼容8051指令集的高速單片機(jī)STC89C51，其選用Keil作為開發(fā)工具，C語言編程。系統(tǒng)軟件采用模塊化方式設(shè)計(jì)，思路清晰，移植性強(qiáng)，易于查錯(cuò)與修改。

3.1 從機(jī)軟件設(shè)計(jì)

從機(jī)軟件主要分為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸。主程序框圖如圖4所示。

從機(jī)啟動(dòng)后，首先初始化A/D轉(zhuǎn)換器和nRF905無線模塊，初始化后的無線模塊寫入發(fā)送字節(jié)數(shù)與發(fā)送地址。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，將數(shù)據(jù)存入無線模塊的發(fā)送寄存器中。激發(fā)無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，進(jìn)入下一次A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

圖4 下位機(jī)主程序流程圖

3.2 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對各從機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)顯示在12864液晶屏上，并通過按鍵設(shè)置報(bào)警閾限。當(dāng)測量值小于閾限值時(shí)，報(bào)警器報(bào)警。主程序框圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)主程序流程圖

主機(jī)控制程序較為復(fù)雜，初始化無線模塊后，在接收數(shù)據(jù)前先對按鍵進(jìn)行一次掃描。若Mode鍵按下，則進(jìn)入報(bào)警閾值設(shè)置，通過Add鍵和Num鍵修改閾值；如果Mode鍵沒有按下，則寫入接收地址1并接收數(shù)據(jù)，再寫入接收地址2并接收數(shù)據(jù)。依次循環(huán)接收所有的從機(jī)數(shù)據(jù)。接收完后，處理數(shù)據(jù)并調(diào)用液晶顯示子函數(shù)。同時(shí)辨別接收到的數(shù)據(jù)是否小于設(shè)定的報(bào)警閾限，若小于報(bào)警閾限，則啟動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。報(bào)警1 s后關(guān)閉報(bào)警器，返回按鍵掃描函數(shù)，重復(fù)以上步驟。

3.3 重要模塊軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件中幾個(gè)重要的子程序?yàn)槟?shù)轉(zhuǎn)換程序、nRF905無線模塊程序和液晶換屏顯示程序。

nRF905無線模塊程序主要包括發(fā)送程序與接收程序，具體說明如下。

① 發(fā)送程序設(shè)計(jì)。首先，將要發(fā)送的地址與數(shù)據(jù)通過SPI傳輸給nRF905地址寄存器與發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器。然后，將PWR_UP、TRXCE、TXEN全部置1，并設(shè)置nRF905為發(fā)送模式，之后射頻寄存器自動(dòng)開啟，數(shù)據(jù)自動(dòng)編碼(添加字頭和CRC校驗(yàn)碼)。最后發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳(DR)被置高電平。

② 接收程序設(shè)計(jì)。配置接收地址，當(dāng)TRX_CE為高電平、TX_EN為低電平時(shí)，nRF905進(jìn)入Shock Burst TM接收模式。大約650 μs后，nRF905不斷監(jiān)測、等待接收數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)正確的數(shù)據(jù)包接收完畢時(shí)，nRF905自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，然后把DR引腳置高。微控制器把TRX_CE置低，nRF905進(jìn)入空閑模式；微控制器通過SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)。當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把DR引腳和AM引腳置低電平。

4 系統(tǒng)測試

測試中，采用萬用板設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、單片機(jī)小系統(tǒng)和無線收發(fā)模塊電路，各模塊獨(dú)立調(diào)試，最后聯(lián)調(diào)。測試步驟如下：采用altium designer繪制系統(tǒng)原理圖，并繪制系統(tǒng)各元器件對應(yīng)的引腳封裝圖；繪制雕刻PCB板，對刻好的PCB板進(jìn)行電路檢測，確保無誤后在PCB板上焊接元器件；加載系統(tǒng)程序代碼，檢測系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，如果運(yùn)行錯(cuò)誤，繼續(xù)檢查硬件電路，直至系統(tǒng)正常工作。

以香煙濃度檢測為例。測試在10 m2的密閉環(huán)境中進(jìn)行，測量數(shù)據(jù)如表1所示。其中，靈敏度特性采用傳感器電阻比Rs/Rs(Air)表示，Rs為空氣中存在香煙煙霧時(shí)的傳感器電阻值，Rs(Air)為清潔大氣中的傳感器電阻值。

表1 香煙靈敏度測量數(shù)據(jù)

由測量數(shù)據(jù)分析可知，TGS2600煙霧傳感器對煙霧敏感度高。另外，經(jīng)實(shí)際測量，TGS2600煙霧傳感器對呼出的二氧化碳、油煙等渾濁氣體都有較高的靈敏度，可很好地監(jiān)控室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況[10-12]。

點(diǎn)燃一支香煙，使測量的靈敏度低于0.2；然后熄滅香煙，讓煙霧在空氣中自然稀釋。香煙濃度稀釋曲線如圖6所示。

圖6 香煙濃度稀釋曲線圖

從圖6所示測量曲線可以看出，傳感器TGS2600對煙霧靈敏度高，反映迅速，一旦室內(nèi)有污染氣體，便可立即檢查出來。經(jīng)測試，下位機(jī)與上位機(jī)(相隔約40 m2的4間房間)通信穩(wěn)定；在空曠地上可以在1 000 m內(nèi)的范圍內(nèi)建立穩(wěn)定的通信。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用無線分布式技術(shù)，可同時(shí)監(jiān)控256個(gè)點(diǎn)，使用范圍廣。無線模塊采用3.3 V供電，功耗低，無

線通信便攜易于移動(dòng)。所用煙霧傳感器TGS2600壽命長，不易老化，穩(wěn)定性好。主機(jī)采用液晶直觀顯示出各監(jiān)測點(diǎn)空氣靈敏度，可視性好。經(jīng)測試，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，成本低，具有很好的使用價(jià)值，可直接運(yùn)用到工廠、家庭等室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測。

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