《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于嵌入式Web服務(wù)器的無線空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
鄭 希1，2，周金治1，2，康春香1，2
1．西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽621010； 2．特殊環(huán)境機器人四川省重點實驗室，四川 綿陽621010
摘要： 提出了以多個探測節(jié)點和一個監(jiān)測終端利用有線和無線相結(jié)合，構(gòu)建小范圍內(nèi)無線采集環(huán)境信息系統(tǒng)，通過監(jiān)測終端實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)相連，達到遠程監(jiān)測功能。監(jiān)測終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收分析和Web服務(wù)器功能，探測節(jié)點實現(xiàn)對空氣中一氧化碳、VOC（Volatile Organic Compounds）、煙霧、可燃氣體的濃度的采集、處理、顯示和無線傳輸。
中圖分類號： TP277
文獻標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2015)05-0039-04
The wireless air quality monitor system based on embedded Web server
Zheng Xi1,2，Zhou Jinzhi1,2，Kang Chunxiang1,2
1.School of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China； 2.Robot Technology Used for Special Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Mianyang 621010, China
Abstract： This paper puts forward a remote environment motoring system, which uses wired and wireless communication technology, and is constructed by several detecting nodes for collecting environment parameters and a monitoring terminal for achieving connection with Internet. The monitoring terminal realizes the functions of data analyzing and Web server. The detecting nodes gather carbon monoxide, VOC, smoke and flammable gas′ destiny, then process these data, display in LCD, and send it through wireless communication module. The testing shows that the monitoring terminal in the room environment with obstacles can achieve accuracy within 20 m data receiving, which is sent by detecting nodes. The functional realization of Web server allows remote access through PC browser browsing Web pages to get the server IP address parameters in a monitored environment.
Key words : MSP430；CS8900A；CC1100；embedded Web service

    

0 引言

    隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，智能嵌入技術(shù)、傳感器技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)是在原有的互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用有線、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，將所有物品與網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，構(gòu)建覆蓋世界上萬事萬物的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。用戶終端從傳統(tǒng)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(chǎn)、日常生活中各種化學(xué)品及裝飾裝修材料的普遍使用，空氣中過量的有害氣體導(dǎo)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(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[2]。順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展形勢，空氣質(zhì)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(zhì)量是非常必要的。

    當(dāng)前主流的空氣質(zhì)量監(jiān)測儀價格普遍高，檢測氣體種類單一，且國內(nèi)大多數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)都采用Modem通信[3]。本文將詳細介紹基于嵌入式Web服務(wù)器的無線空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，將空氣質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，使便攜嵌入式檢測設(shè)備可以直接接入互聯(lián)網(wǎng)，遠程在瀏覽器上獲得監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對空氣中常見的四類有害氣體的實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

    基于嵌入式Web服務(wù)器的無線空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計包含兩大部分，探測節(jié)點和監(jiān)測終端服務(wù)器。探測節(jié)點負(fù)責(zé)采集當(dāng)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(wù)器終端；在監(jiān)測終端，接收各節(jié)點發(fā)回的數(shù)據(jù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)利用互聯(lián)網(wǎng)進行遠程傳輸，遠程PC可通過網(wǎng)頁獲得當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)。

    探測節(jié)點散布于監(jiān)測環(huán)境的各個點上，負(fù)責(zé)采集當(dāng)前氣體濃度，選擇生活中最常見的一氧化碳、室內(nèi)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(biāo)氣體，利用四顆傳感器分別將四類氣體濃度轉(zhuǎn)化為電信號，用于單片機處理。本地由LCD顯示數(shù)據(jù)，并在氣體濃度超標(biāo)時產(chǎn)生聲音和發(fā)光報警。同時PC只需訪問該Web服務(wù)器的IP地址就可獲得當(dāng)前監(jiān)測點的各氣體濃度等級、報警情況等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

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2 系統(tǒng)的硬件設(shè)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(zhuǎn)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(nèi)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(dǎo)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(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號，都滿足以下計算。傳感器內(nèi)阻值Rs與空氣中被測氣體濃度C成對數(shù)關(guān)系，qrs5-gs1-s.gif求得C=f(Rs，gas)，如式(1)：

    qrs5-gs1.gif

式中，n與氣體檢測靈敏度有關(guān)，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(biāo)(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(nèi)部由檢測元件和補償元件分別構(gòu)成電橋的兩個橋臂。當(dāng)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(chǎn)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(shè)計的重要組成部分。本系統(tǒng)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(yīng)用而設(shè)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(yīng)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(tǒng)、工業(yè)監(jiān)測和控制、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

    CC1100應(yīng)用電路如圖2所示。CC1100的SI、SCLK、SO引腳為SPI接口。SI為數(shù)據(jù)輸入，SO為數(shù)據(jù)輸出，SCLK為時鐘輸入。CSn是數(shù)字輸入腳，用于芯片選擇。GDO0為數(shù)字輸入/輸出腳，GDO2為一般用途的數(shù)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(xiàn)無線傳輸功能。

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2.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

    目前單片機系統(tǒng)主要通過RS232、RS485和CAN總線協(xié)議通信，要想直接與互聯(lián)網(wǎng)連接必須進行通信接口改造。

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

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    系統(tǒng)中以太網(wǎng)控制器CS8900A工作在8位I/O模式，8根數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)變壓器20F-01R位于在以太網(wǎng)控制器與RJ-45接口之間，用于傳輸信號的電平轉(zhuǎn)換和隔離，防止外部線路干擾，允許帶電拔插。該設(shè)計方案使得普通的單片機系統(tǒng)方便地接入到以太網(wǎng)，實現(xiàn)信息的遠距離傳輸和共享。

2.4 嵌入式控制系統(tǒng)

    核心控制系統(tǒng)分為探測節(jié)點和監(jiān)測終端兩部分，探測節(jié)點完成數(shù)據(jù)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(wù)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(nèi)部資源豐富，自帶12位A/D轉(zhuǎn)換器，簡化了外圍電路，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)設(shè)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(dāng)室內(nèi)有害氣體濃度超過設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時，必須通過報警提示用戶。除了遠程網(wǎng)頁上需要設(shè)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(yīng)一種氣體，當(dāng)任意一類氣體含量超標(biāo)時，蜂鳴器都會嘯叫，且相應(yīng)的LED燈閃爍。

    電源管理模塊為整個系統(tǒng)提供所需電壓的供電。該設(shè)備共需要兩種電壓：3.3 V和5 V?？紤]到本監(jiān)測設(shè)備的便攜性和在固定點可長時間監(jiān)測的特點，設(shè)計了兩種供電方式：一是兩顆鋰電池串聯(lián)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(chǔ)上，再經(jīng)過LDO芯片TLV1117-3.3，將5 V電壓轉(zhuǎn)換至3.3 V，如圖4所示。因此，既方便作為手持檢測設(shè)備，又可適用于組網(wǎng)長時間定點監(jiān)測。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)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(shù)關(guān)系，將測試結(jié)果映射到濃度值-等級表中，得到等級和超標(biāo)信息，然后，控制顯示數(shù)據(jù)、濃度超標(biāo)報警提示。

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    信號采集和數(shù)據(jù)處理對于系統(tǒng)整體實現(xiàn)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(nèi)部AD模塊進行采樣，獲得四路電壓值數(shù)據(jù)。由理論分析，分別將電壓值轉(zhuǎn)化為濃度值并劃分等級。根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和實際考慮，將CO、VOC、可燃氣體、煙霧的報警閾值分別設(shè)為：8 ppm、0.134 ppm、1.25%、200 ppm[5](數(shù)據(jù)參考GB/T18883-2002室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn))。

    無線傳輸完成探測節(jié)點與監(jiān)測終端之間的數(shù)據(jù)交換，是本系統(tǒng)可以靈活應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸均以最高位開始，同時可以用于寫入和讀取緩沖數(shù)據(jù)。探測節(jié)點收到發(fā)送命令，與終端完成握手，然后將數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去。監(jiān)測終端接收到接收命令，發(fā)出應(yīng)答信號，開始接收數(shù)據(jù)，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。

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    監(jiān)測終端實現(xiàn)系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的遠程數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)通信的軟件設(shè)計包含TCP/IP協(xié)議設(shè)計和以太網(wǎng)控制器控制程序兩部分。以太網(wǎng)控制程序中，單片機要完成對CS8900A的初始化以及數(shù)據(jù)的解包和打包、控制CS8900A的數(shù)據(jù)收發(fā)、對其進行驅(qū)動，以函數(shù)的形式給其他模塊提供讀寫其寄存器的接口、產(chǎn)生讀寫時鐘等。以太網(wǎng)控制流程如圖7所示。

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    利用單片機實現(xiàn)嵌入式Web的難點在于利用單片機有限的資源對數(shù)據(jù)進行TCP/IP協(xié)議處理，使IP數(shù)據(jù)包可在Internet上傳輸。標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)非常復(fù)雜，對處理器的要求也非常高，設(shè)計嵌入式系統(tǒng)并不要求實現(xiàn)所有的TCP/IP協(xié)議，根據(jù)嵌入式硬件環(huán)境，針對TCP/IP協(xié)議不同層次的特點，對標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議進行裁減，保留必需的協(xié)議族滿足與以太網(wǎng)通信的基本需求。圖8為精簡TCP/IP的實現(xiàn)模型[6-7]。

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4 結(jié)論

    本文細述了基于嵌入式Web的便攜嵌入式空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)過程。通過對嵌入式設(shè)備的硬件接口改造，同時將精簡TCP/IP協(xié)議棧嵌入MSP430單片機，使其可通過RJ45接口將檢測儀接入網(wǎng)絡(luò)，作為Web服務(wù)器，供多臺遠程PC同時訪問。經(jīng)測試，系統(tǒng)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(shè)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(lián)網(wǎng)的三個重要特征，嵌入式技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)接入多樣化都將不斷地推動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進程，逐步滿足對生產(chǎn)過程、家居生活監(jiān)控、遠程數(shù)據(jù)采集和測量、遠程診斷等方面的信息化需求。

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