分布式无线空气质量监测系统

(陕西理工学院物电学院，陕西 汉中 723000)

0 引言

室内空气质量参数包括对人体健康有影响的物理、化学、生物、放射性以及可吸入颗粒参数。室内空气质量的优劣，对人体健康的影响越来越大。传统的空气质量监测仪器主要有两种：一是利用手持式仪器进行人工监测，该仪器存在工作量大、效率低等缺点；二是采用多点有线传输仪器进行监测，该方法存在系统扩展能力差、布线繁琐、代价过高等缺点。近年来，国内一些企业和人员做过无线空气质量监测系统的研发，但这些产品价格普遍比较昂贵，普及难度较大，并且未考虑到部分行业及场所的空间限制以及操作人员水平等的实际情况，适用性差，未被广泛应用[1]。

本文将无线通信技术应用到空气质量监测中，由传感器实时采集各测量点空气质量的信息。空气质量信息经处理器处理后，通过无线数据采集系统传输到监控终端。操作者可以在手持终端选择测试点，将接收到的数据经过处理后在手持终端的显示屏上显示，从而实现集成化、低成本和易操作的目的。

1 系统设计

系统由一个主机与多个从机组成，主机主要包括微处理器、无线接收模块、液晶显示模块、按键模块和报警模块。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

从机主要由信号检测模块、无线发射模块、微处理器、A/D转换器、按键开关模块组成，其结构如图2所示。从机通过烟雾传感器将烟雾浓度转化为模拟电信号，然后经过高速A/D转换器将模拟信号快速地转换为微控制器可用的数字信号。微控制器通过模拟的SPI总线将数据传输给无线模块，同时激发无线模块将数据发送出去。

图2 从机结构框图

主机上电后，将无线模块置于接收状态，等待从机发送数据。当监测到从机有数据发送且载波频率与地址匹配后，主机无线模块开始接收从机发送的数据。接收完数据后，无线模块nRF905自动去除前导码和CRC校验码 ，将有效数据存储在接收寄存器中。微处理器通过模拟SPI总线从nRF905的读数据寄存器中读取从机发送的数据，完成无线数据通信。主机接收到数据后将数据处理成相应的气体灵敏度，调用串行液晶程序，在液晶相应位置显示出气体灵敏度值。由于系统为分布式空气质量监测系统，主机要监测多个测量点的空气质量，因此，主机须与多个从机建立通信。不同从机配有各自的通信地址，主机通过分时查询地址的方式与从机建立通信，接收各从机的数据。按键模块可设置各监测点空气灵敏度报警阈限。当某监测点空气污染超标时，系统将自动启动蜂鸣器报警电路，发出报警提示[2-5]。

2 硬件电路设计

2.1 无线收发模块电路

无线收发模块采用nRF905芯片，主要完成从机与主机的无线数据通信。nRF905通过SPI总线与单片机进行双向通信。由于STC89C51内部未集成SPI总线模块，因此需要模拟SPI总线时序，总线需占用单片机4个I/O口，其中MISO与单片机P3.0口相连，MOSI(SPI数据输入)与单片机P1.4端口相连，SCK(SPI时钟)与单片机P1.6相连，CSN(SPI时能)与单片机P1.5相连。nRF905有4种工作模式、2种节能模式(掉电和SPI编程模式)、2种活动模式(接收模式与发送模式)。模式的选择主要通过TRXCE(与单片机P3.1连接)、TXEN(与单片机P1.0连接)、PWR_UP(与单片机P1.1连接)控制。nRF905在工作中有3种状态，分别通过CD、DR和AM三个端口的状态表示。在接收模式下，如果CD端口被检测到高电平，则表示检测到设定的载波频率。当AM被置高时，则表明接收到的数据地址匹配。如果检测到接收数据中的CRC校验正确，接收到的有效数据被储存且硬件置高DR时，表示数据已经准备好。主机和从机的无线收发模块与单片机的连接电路相同。端口连接电路原理图如图3所示。

图3 端口连接电路原理图

2.2 信号检测电路

信号检测电路采用TGS2600。TGS2600属于一种空气半导体器件，构造简单，主要由基板、气敏元件与带孔盖帽组成。传感器在工作时首先要加热。当有侦测气体从盖帽小孔进入气敏元件时，气体与空气中的O2在加热的条件下会缓慢地进行一种燃烧反应，自由电子会大量增加，气敏元件的电阻值将降低。利用此原理做一测量电路，将气体浓度的变化转换为电信号的变化[6-9]。TGS2600对CH4、CO、C4H10、H2等化学气体的灵敏度高，对香烟的烟雾或烹调臭味也有很高的灵敏度。传感器测量电路如图3所示，连接ADS7816的是传感器测量电路。给VC与VH同时加入5 V直流电压，使传感器工作在最佳温度，同时也使传感器在室内温度范围内稳定地工作。传感器内部测量电路可等效为一个串联电路，RS随空气中污染物的浓度变化而变化，只要测出RS的阻值，通过转换就可计算出空气的灵敏度值。RL为负载电阻，一般取10 kΩ。

2.3 A/D转换电路

A/D转换器采用ADS7816，ADS7816是低功耗的12位串行口模/数转换芯片。当参考电压VREF稳定时，将参考电压VREF分成4 096份，每份数字量对应电压值为LSB=VREF/4 096。而一个固定的模拟量对应一个唯一的数字量，将数字量乘以LSB，就是当前输入模拟信号的电压值。A/D转换电路参照图3所示电路。

2.4 液晶显示电路

显示模块主要是将主机处理后的数据显示出来。设计中单片机与液晶通信采用串行方式，单片机P2.5、P2.4、P2.3、P2.2、P2.0接液晶显示器的RD、WR、LCDE、CS1、LRST端。

2.5 电源电路

单片机供电电压为5 V，而无线模块供电电压为3.3 V，因此需要将5 V电压稳压成3.3 V。设计中选用ASM1117直接将5 V电压稳压到3.3 V。

3 软件设计

系统处理器是兼容8051指令集的高速单片机STC89C51，其选用Keil作为开发工具，C语言编程。系统软件采用模块化方式设计，思路清晰，移植性强，易于查错与修改。

3.1 从机软件设计

从机软件主要分为数据采集模块和数据发送模块。其中，数据采集模块主要完成数据的采集与数据的处理，数据发送模块实现采集数据的无线传输。主程序框图如图4所示。

从机启动后，首先初始化A/D转换器和nRF905无线模块，初始化后的无线模块写入发送字节数与发送地址。启动A/D转换器开始转换数据，数据转换完成后，将数据存入无线模块的发送寄存器中。激发无线模块发送数据，数据发送完成后，进入下一次A/D数据转换。

图4 下位机主程序流程图

3.2 主机软件设计

主机主要实现对各从机数据的实时监控，将监测到的数据显示在12864液晶屏上，并通过按键设置报警阈限。当测量值小于阈限值时，报警器报警。主程序框图如图5所示。

图5 上位机主程序流程图

主机控制程序较为复杂，初始化无线模块后，在接收数据前先对按键进行一次扫描。若Mode键按下，则进入报警阈值设置，通过Add键和Num键修改阈值；如果Mode键没有按下，则写入接收地址1并接收数据，再写入接收地址2并接收数据。依次循环接收所有的从机数据。接收完后，处理数据并调用液晶显示子函数。同时辨别接收到的数据是否小于设定的报警阈限，若小于报警阈限，则启动报警器报警。报警1 s后关闭报警器，返回按键扫描函数，重复以上步骤。

3.3 重要模块软件设计

系统软件中几个重要的子程序为模数转换程序、nRF905无线模块程序和液晶换屏显示程序。

nRF905无线模块程序主要包括发送程序与接收程序，具体说明如下。

① 发送程序设计。首先，将要发送的地址与数据通过SPI传输给nRF905地址寄存器与发送数据寄存器。然后，将PWR_UP、TRXCE、TXEN全部置1，并设置nRF905为发送模式，之后射频寄存器自动开启，数据自动编码(添加字头和CRC校验码)。最后发送数据包。当数据发送完成，数据准备好引脚(DR)被置高电平。

② 接收程序设计。配置接收地址，当TRX_CE为高电平、TX_EN为低电平时，nRF905进入Shock Burst TM接收模式。大约650 μs后，nRF905不断监测、等待接收数据。当一个正确的数据包接收完毕时，nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把DR引脚置高。微控制器把TRX_CE置低，nRF905进入空闲模式；微控制器通过SPI口，以一定的速率把数据移到微控制器内。当所有的数据接收完毕，nRF905把DR引脚和AM引脚置低电平。

4 系统测试

测试中，采用万用板设计A/D转换模块、液晶显示模块、单片机小系统和无线收发模块电路，各模块独立调试，最后联调。测试步骤如下：采用altium designer绘制系统原理图，并绘制系统各元器件对应的引脚封装图；绘制雕刻PCB板，对刻好的PCB板进行电路检测，确保无误后在PCB板上焊接元器件；加载系统程序代码，检测系统是否正常运行，如果运行错误，继续检查硬件电路，直至系统正常工作。

以香烟浓度检测为例。测试在10 m2的密闭环境中进行，测量数据如表1所示。其中，灵敏度特性采用传感器电阻比Rs/Rs(Air)表示，Rs为空气中存在香烟烟雾时的传感器电阻值，Rs(Air)为清洁大气中的传感器电阻值。

表1 香烟灵敏度测量数据

由测量数据分析可知，TGS2600烟雾传感器对烟雾敏感度高。另外，经实际测量，TGS2600烟雾传感器对呼出的二氧化碳、油烟等浑浊气体都有较高的灵敏度，可很好地监控室内空气质量状况[10-12]。

点燃一支香烟，使测量的灵敏度低于0.2；然后熄灭香烟，让烟雾在空气中自然稀释。香烟浓度稀释曲线如图6所示。

图6 香烟浓度稀释曲线图

从图6所示测量曲线可以看出，传感器TGS2600对烟雾灵敏度高，反映迅速，一旦室内有污染气体，便可立即检查出来。经测试，下位机与上位机(相隔约40 m2的4间房间)通信稳定；在空旷地上可以在1 000 m内的范围内建立稳定的通信。

5 结束语

本设计采用无线分布式技术，可同时监控256个点，使用范围广。无线模块采用3.3 V供电，功耗低，无

线通信便携易于移动。所用烟雾传感器TGS2600寿命长，不易老化，稳定性好。主机采用液晶直观显示出各监测点空气灵敏度，可视性好。经测试，系统稳定性高，成本低，具有很好的使用价值，可直接运用到工厂、家庭等室内环境的监测。

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