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(kuò)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(dá)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(yuǎn)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(xì)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(yuǎn)程在瀏覽器上獲得監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對空氣中常見的四類有害氣體的實(shí)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(diǎn)和監(jiān)測終端服務(wù)器。探測節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)回的數(shù)據(jù),，將監(jiān)測數(shù)據(jù)利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸,，遠(yuǎn)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(diǎn)散布于監(jiān)測環(huán)境的各個點(diǎn)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?xì)怏w(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(jī)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(diǎn)的各氣體濃度等級,、報警情況等。系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

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(jī)在最合適的電壓范圍內(nèi)進(jìn)行采樣以得到最高的精度,。針對一氧化碳、VOC,、煙霧,、可燃?xì)怏w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R_s與空氣中被測氣體濃度C成對數(shù)關(guān)系,，求得C=f(R_s,，gas)，如式(1)：

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(diǎn)坐標(biāo)(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?xì)怏w。其內(nèi)部由檢測元件和補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償元件起參比及溫度補(bǔ)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(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(diǎn),。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(jī)的I/O口連接,，簡單方便地實(shí)現(xiàn)無線傳輸功能。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

    目前單片機(jī)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(jìn)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(jī)普通I/O口實(shí)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(shí)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(shí)可行的以太網(wǎng)解決方案^[4],。

    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(jī)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(jī)系統(tǒng)方便地接入到以太網(wǎng),，實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)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(diǎn)和監(jiān)測終端兩部分，探測節(jié)點(diǎn)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(jī)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(yuǎn)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,。考慮到本監(jiān)測設(shè)備的便攜性和在固定點(diǎn)可長時間監(jiān)測的特點(diǎn),，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(diǎn)監(jiān)測。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    探測節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5所示,。在探測節(jié)點(diǎn),，單片機(jī)通過對傳感器采集到的電壓信號進(jìn)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。

    信號采集和數(shù)據(jù)處理對于系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)非常重要,。四顆傳感器分別采集CO,、VOC、煙霧,、可燃?xì)怏w濃度,，通過單片機(jī)P6.0-P6.3端口送入內(nèi)部AD模塊進(jìn)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(shí)際考慮，將CO,、VOC,、可燃?xì)怏w、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(diǎn)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(jī)通過一個簡單的4-wire SPI兼容接口(SI,、SO、SCLK和CSn)對CC1100進(jìn)行配置,，此時 CC1100 作為單片機(jī)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(diǎn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的遠(yuǎn)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(jī)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(jìn)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。

    利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式Web的難點(diǎn)在于利用單片機(jī)有限的資源對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(shí)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(diǎn),，對標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議進(jìn)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(shí)現(xiàn)模型^[6-7]。

4 結(jié)論

    本文細(xì)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(shí)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(jī)，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(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)程,，逐步滿足對生產(chǎn)過程、家居生活監(jiān)控,、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和測量,、遠(yuǎn)程診斷等方面的信息化需求。

參考文獻(xiàn)

[1] STRATEGY I,，UNIT P.ITU Internet reports 2005：The Internet of Things[R].Geneva: International Telecommunication Union(ITU),，2005：2-3.

[2] 孫其博，劉杰,，黎羴,，等.物聯(lián)網(wǎng)：概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報,，2010,，33(3)：1-9.

[3] 李彥卿，楊伯原,，張洛平.基于工業(yè)以太網(wǎng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系[J].機(jī)床與液壓,，2009，37(6)：152-154.

[4] 劉煒，王才.基于工業(yè)以太網(wǎng)的瓦斯突出監(jiān)測系統(tǒng)分站設(shè)計[J].太原理工大學(xué)學(xué)報,，2009,，40(1)：17-19.

[5] 中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所.GB/T 18883-2002，室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].2002.

[6] GUAN M,，WEI W,，BAO Y.A Monitoring system based on embedded Internet technology for embedded devices[C].Computer Science and Software Engineering，2008 International Conference on,，2008：5-8.

[7] 姚光開,，于永棠,柴喬林.微型TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)應(yīng)用，2003,，23(9)：82-84.