文献标识码：A
文章编号： 0258-7998(2015)05-0039-04
0 引言
随着物联网时代的到来，智能嵌入技术、传感器技术将得到更加广泛的应用。物联网是在原有的互联网的基础上，利用有线、无线数据通信技术，将所有物品与网络相联，构建覆盖世界上万事万物的互联网络。用户终端从传统的PC延伸扩展到任何物品与物品之间的信息交换和通信[1]。
由于工业生产、日常生活中各种化学品及装饰装修材料的普遍使用，空气中过量的有害气体导致安全事故频发及大量的人体疾病发生。而在一些发达国家与地区已相继建立了比较完整的空气质量监测网络[2]。顺应物联网发展形势，空气质量远程监测势必覆盖人们生活的每个区域，对提高生活质量是非常必要的。
当前主流的空气质量监测仪价格普遍高，检测气体种类单一，且国内大多数空气质量监测系统都采用Modem通信[3]。本文将详细介绍基于嵌入式Web服务器的无线空气质量监测系统，将空气质量监测技术和互联网结合，使便携嵌入式检测设备可以直接接入互联网，远程在浏览器上获得监测点的实时数据，实现对空气中常见的四类有害气体的实时监测。
1 系统的总体设计
基于嵌入式Web服务器的无线空气质量监测系统设计包含两大部分，探测节点和监测终端服务器。探测节点负责采集当前温湿度和有害气体浓度，并通过无线传输模块传给监测服务器终端；在监测终端，接收各节点发回的数据，将监测数据利用互联网进行远程传输，远程PC可通过网页获得当前监测数据。
探测节点散布于监测环境的各个点上，负责采集当前气体浓度，选择生活中最常见的一氧化碳、室内VOC（Volatile Organic Compounds，如甲醛、苯、二甲苯等）、烟雾、可燃气体(如天然气、液化气、煤气、烷类等)为目标气体，利用四颗传感器分别将四类气体浓度转化为电信号，用于单片机处理。本地由LCD显示数据，并在气体浓度超标时产生声音和发光报警。同时PC只需访问该Web服务器的IP地址就可获得当前监测点的各气体浓度等级、报警情况等。系统框图如图1所示。
2 系统的硬件设计
2.1 前端信号采集
前端信息采集需完成气体浓度到电信号的转换、信号的滤波和放大处理，使单片机在最合适的电压范围内进行采样以得到最高的精度。针对一氧化碳、VOC、烟雾、可燃气体四类有害气体，分别采用了以下四款传感器：MS22OO、MS1100、MS5100、MC101，其中，前三款均为非线性传感器，第四款为线性传感器。
MS22OO、MS1100、MS5100这三款气体传感器均采用SnO2气敏元件制成，利用开云棋牌官网在线客服材料接触气体时其阻值的改变来检测气体的成分或浓度，将化学量转换成电信号，都满足以下计算。传感器内阻值Rs与空气中被测气体浓度C成对数关系，
求得C=f(Rs，gas)，如式(1)：
式中，n与气体检测灵敏度有关，随材料和气体种类、测量温度以及添加剂的不同而变化，从手册给出的气体与浓度映射曲线中，取一点坐标(C，Rs，gas)值求得确定的n；β为气体分离度，随气体浓度变化；Rs，air是传感器在纯净空气中的输出电阻，Rs，gas是传感器在检测气体中的输出电阻。
MC101传感器检测空气中的可燃气体。其内部由检测元件和补偿元件分别构成电桥的两个桥臂。当气体接触到传感器时，检测元件开始催化燃烧，补偿元件保持不变，因而电桥的桥臂阻值发生变化，产生一个失衡电压。该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温度补偿作用。基于这一原理，该传感器具有良好的线性度。
2.2 无线传输模块
无线传输模块是本设计的重要组成部分。本系统选择CC1100作为无线芯片，CC1100是一种低成本单片的特高频(UHF)收发器，为极低功耗的无线应用而设计，具有体积小发射功率高、功耗低、外围电路简单、传输速度快、灵敏度高等特点。它主要应用于低功率遥感勘测、住宅和建筑自动控制、无线警报和安全系统、工业监测和控制、无线传感网络等领域。
CC1100应用电路如图2所示。CC1100的SI、SCLK、SO引脚为SPI接口。SI为数据输入，SO为数据输出，SCLK为时钟输入。CSn是数字输入脚，用于芯片选择。GDO0为数字输入/输出脚，GDO2为一般用途的数字输出脚，都用于测试信号、FIFO状态信号等。这些接口都与单片机的I/O口连接，简单方便地实现无线传输功能。
2.3 网络通信模块
目前单片机系统主要通过RS232、RS485和CAN总线协议通信，要想直接与互联网连接必须进行通信接口改造。
该模块由以太网控制器CS8900A和网络变压器20F-01R组成，利用单片机普通I/O口实现与RJ-45以太网接口的通信，如图3所示。CS8900A是用于嵌入式设备的低成本以太局域网控制器，数据传输稳定性高，受外界干扰小，易实现，成本低，性能优越，集成度高，占用系统资源少，硬件连接简单。它主要为嵌入式应用系统、便携式产品和某些适配卡等提供一种切实可行的以太网解决方案[4]。
系统中以太网控制器CS8900A工作在8位I/O模式，8根数据线、4根控制线、读写控制线均直接与单片机I/O口连接，外部需接20 MHz的无源晶振，主要电路如图3。网络变压器20F-01R位于在以太网控制器与RJ-45接口之间，用于传输信号的电平转换和隔离，防止外部线路干扰，允许带电拔插。该设计方案使得普通的单片机系统方便地接入到以太网，实现信息的远距离传输和共享。
2.4 嵌入式控制系统
核心控制系统分为探测节点和监测终端两部分，探测节点完成数据采样、处理、无线传输、本地显示、声光报警等功能，监测终端完成无线传输和嵌入式Web服务器功能。
在控制单元中，采用TI公司的16位单片机MSP430F5438。它功耗低，内部资源丰富，自带12位A/D转换器，简化了外围电路，同时也提高了系统的可靠性。根据设计需要，选用低功耗LCD液晶显示屏FM12232F显示气体名称、浓度、级别。
当室内有害气体浓度超过设定标准时，必须通过报警提示用户。除了远程网页上需要设置报警提示外，本地使用LED灯闪烁和蜂鸣器发声报警。每颗LED灯分别对应一种气体，当任意一类气体含量超标时，蜂鸣器都会啸叫，且相应的LED灯闪烁。
电源管理模块为整个系统提供所需电压的供电。该设备共需要两种电压：3.3 V和5 V。考虑到本监测设备的便携性和在固定点可长时间监测的特点，设计了两种供电方式：一是两颗锂电池串联获得8.4 V的额定电压，使用LDO芯片LM7805使输出电压为稳定的5 V；二是家用交流电供电，通过变压器获得5 V电压。在此基础上，再经过LDO芯片TLV1117-3.3，将5 V电压转换至3.3 V，如图4所示。因此，既方便作为手持检测设备，又可适用于组网长时间定点监测。
3 系统软件设计
探测节点程序流程如图5所示。在探测节点，单片机通过对传感器采集到的电压信号进行AD采样，确定采集的电压信号与气体浓度的函数关系，将测试结果映射到浓度值-等级表中，得到等级和超标信息，然后，控制显示数据、浓度超标报警提示。
信号采集和数据处理对于系统整体实现非常重要。四颗传感器分别采集CO、VOC、烟雾、可燃气体浓度，通过单片机P6.0-P6.3端口送入内部AD模块进行采样，获得四路电压值数据。由理论分析，分别将电压值转化为浓度值并划分等级。根据相关的标准和实际考虑，将CO、VOC、可燃气体、烟雾的报警阈值分别设为：8 ppm、0.134 ppm、1.25%、200 ppm[5](数据参考GB/T18883-2002室内空气质量标准)。
无线传输完成探测节点与监测终端之间的数据交换，是本系统可以灵活应用的重要功能。单片机通过一个简单的4-wire SPI兼容接口(SI、SO、SCLK和CSn)对CC1100进行配置，此时 CC1100 作为单片机的从属器件。SPI 接口上的所有数据传输均以最高位开始，同时可以用于写入和读取缓冲数据。探测节点收到发送命令，与终端完成握手，然后将数据打包发送出去。监测终端接收到接收命令，发出应答信号，开始接收数据，接收完成后进入等待状态。监测终端程序流程如图6所示。
监测终端实现系统与互联网之间的远程数据传输。网络通信的软件设计包含TCP/IP协议设计和以太网控制器控制程序两部分。以太网控制程序中，单片机要完成对CS8900A的初始化以及数据的解包和打包、控制CS8900A的数据收发、对其进行驱动，以函数的形式给其他模块提供读写其寄存器的接口、产生读写时钟等。以太网控制流程如图7所示。
利用单片机实现嵌入式Web的难点在于利用单片机有限的资源对数据进行TCP/IP协议处理，使IP数据包可在Internet上传输。标准TCP/IP协议实现非常复杂，对处理器的要求也非常高，设计嵌入式系统并不要求实现所有的TCP/IP协议，根据嵌入式硬件环境，针对TCP/IP协议不同层次的特点，对标准的TCP/IP协议进行裁减，保留必需的协议族满足与以太网通信的基本需求。图8为精简TCP/IP的实现模型[6-7]。
4 结论
本文细述了基于嵌入式Web的便携嵌入式空气质量监测系统的设计与实现过程。通过对嵌入式设备的硬件接口改造，同时将精简TCP/IP协议栈嵌入MSP430单片机，使其可通过RJ45接口将检测仪接入网络，作为Web服务器，供多台远程PC同时访问。经测试，系统具备气体浓度采集、分析、显示、超阈值报警、远程监测等功能。针对多种有害气体的同时监测，有助于从多方面对空气中有害气体含量作综合判断。该设备小巧轻便，也可作普通的测试仪器使用。
全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的三个重要特征，嵌入式技术的发展和网络接入多样化都将不断地推动物联网发展进程，逐步满足对生产过程、家居生活监控、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的信息化需求。
参考文献
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