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基于MSP430的無線室內(nèi)環(huán)境評估測試儀

隨著人們生活水平的提高，越來越多的人重視自身的身體健康，對于室內(nèi)環(huán)境，尤其是裝修后的室內(nèi)空氣質(zhì)量十分關(guān)注。

RR0702 RR0702

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硬件說明
軟件說明
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項目討論

團隊介紹

RR0702 RR0702

團隊成員

陳增瑞學(xué)生

孫藝哲學(xué)生

項目簡介

隨著人們生活水平的提高，越來越多的人重視自身的身體健康，對于室內(nèi)環(huán)境，尤其是裝修后的室內(nèi)空氣質(zhì)量十分關(guān)注。

硬件說明

市面上的第三方檢測機構(gòu)一般采用化學(xué)試劑檢測法，該方法有幾個明顯的缺點，一是檢測周期長且只能測污染物含量峰值，無法得知其變化過程及趨勢；二是檢測時儀器在室內(nèi)，檢測人員在室外，無法得知檢測儀實時情況，想得知測試情況需先等待24小時，實驗結(jié)束后測試人員將樣品帶回實驗室進行為期一周的監(jiān)測才能得知室內(nèi)空氣狀況，而在此期間用于仍居住于該室內(nèi)。三是，國標(biāo)規(guī)定檢測前應(yīng)先保持檢測環(huán)境封閉達24小時以上，隨后測試人員進場布置設(shè)備，檢測開始后測試人員撤出檢測空間，因而檢測人員的進入和退出會使室內(nèi)空氣發(fā)生大規(guī)模擾動，影響儀器的檢測。

對此，基于上述的檢測過程描述，本團隊考慮設(shè)計研發(fā)一款基于IDT氣體傳感器套件的具有存儲測試功能的室內(nèi)環(huán)境評估測試儀。該測試儀采用藍牙作為數(shù)據(jù)傳輸方式，使測試人員不需進入測試環(huán)境就能獲得實時測試結(jié)果；另外，該設(shè)備兼具無線開關(guān)功能，和實時時鐘定時功能，避免了工作人員進入室內(nèi)布置儀器對室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生的影響，室內(nèi)氣體始終保持平衡，使測量結(jié)果更準(zhǔn)確可信。

本設(shè)計主控芯片選用德州儀器的MSP430系列單片機，該單片機處理能力強、運算速度快，片內(nèi)資源豐富，可以滿足作為本系統(tǒng)的控制中樞的設(shè)計要求；通訊模塊選擇藍牙模塊和GSM通訊模塊，分別實現(xiàn)將實時檢測結(jié)果發(fā)送到上位機和將檢測部分結(jié)果以短信形式發(fā)送到預(yù)設(shè)電話號碼通知用戶的功能；傳感模塊選用的IDT公司的ZMOD4410-EVK Evaluation Kit開發(fā)套件中的傳感器部分，該傳感器通過IIC通訊接口與通訊板進行數(shù)據(jù)傳輸，隨后由通訊板經(jīng)由USB接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到與之相連的上位機，由于本系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸方式為無線傳輸，故將傳感器部分直接通過IIC協(xié)議相關(guān)的SDA和SCL信號線傳輸?shù)絺鬏斨林骺匦酒M行后續(xù)處理；為了降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)還使用了實時時鐘芯片DS1302。對于主控芯片的片上資源，本系統(tǒng)使用了片上定時器和片上FLASH存儲器，分別實現(xiàn)自適應(yīng)采樣策略的控制和存儲采集數(shù)據(jù)的功能。

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圖2 檢測系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)的控制模塊選用的單片機為MSP430F149，該單片機內(nèi)部有60KB的FLASH、2KB RAM以及片上定時器，時鐘為8MHz晶振，作為電路的主控制芯片， MSP430系列單片機是市場普遍公認的一種16位超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Processor)。其電源電壓采用1.8-3.6V,待機電流小于1uA，在RAM數(shù)據(jù)保持方式時耗電僅0.1uA，在活動模式時耗電250uA/MIPS(MIPS：每秒百萬條指令數(shù))，I/O輸出端口的漏電流最大為50nA，遠低于其他系列單片機(一般為1-10μA)。它有6中工作模式，1種活動模式(AM)和5種低功耗模式(LPM0-LPM4)。在不同的低功耗模式下，消耗電流在0.1-400μA之間。CPU進入低功耗模式后，用中斷的方式可將其喚醒，僅需要6μs的時間。考慮到系統(tǒng)為電池供電，故選用帶有低功耗模式且擁有較強處理能力的MSP430系列單片機。

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圖3 MSP430F149單片機

本系統(tǒng)選用DS1302實時時鐘芯片，由于國家空氣質(zhì)量檢測規(guī)程要求，檢測環(huán)境應(yīng)保持封閉靜置24小時以上才可進行后續(xù)檢測。考慮到規(guī)定時間到后仍需工作人員手動遙控開啟設(shè)備的操作的設(shè)計仍然使用不便，本設(shè)計選擇使用定時器實現(xiàn)房間封閉靜置時定時24小時的功能，實驗人員在布置好裝置后，定時啟動，待定時時間到后，采集記錄系統(tǒng)開始工作。由于使用單片機內(nèi)部的定時器功耗較大，且單片機進入低功耗模式后內(nèi)部定時器將停止工作，這與本系統(tǒng)設(shè)想的低功耗設(shè)計的思路相背離。故此處選用外置實時時鐘芯片實現(xiàn)定時功能，該芯片的功耗僅為0.3mA，且支持外置紐扣電池供電，既不占用單片機供電電源，又能節(jié)約總體功耗，是一款十分理想的芯片。

圖4 DS1302實時時鐘芯片原理圖、片角圖、實物圖

GSM通訊模塊實現(xiàn)的功能是實現(xiàn)遠程通訊，將系統(tǒng)測試結(jié)果以短信方式發(fā)送到用戶手機。由于室內(nèi)環(huán)境到達穩(wěn)定后，突然發(fā)生變化的可能性并不大，故在檢測開始后的一小時，數(shù)據(jù)基本可以代表室內(nèi)空間的大體情況，由于進行氣體檢測時，需花費大量時間，即使能進行實時監(jiān)測室內(nèi)氣體情況，用戶也不必時刻進行監(jiān)視。此設(shè)計的目的是考慮到部分用戶有工作需要，故將系統(tǒng)采集一小時內(nèi)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息以短信形式發(fā)送到用戶的手機，使用戶能對室內(nèi)信息有大致了解；其次，操作人員在布置好設(shè)備后，不必在現(xiàn)場等待，可在收到帶有室內(nèi)環(huán)境信息的短信后再決定是否需要到現(xiàn)場進行實時數(shù)據(jù)的讀取，大大提高了工作效率。

圖5 GSM通訊模塊實物圖

藍牙模塊設(shè)計，無線傳輸是本次設(shè)計的一個難點，現(xiàn)考慮射頻無線通訊模塊與藍牙通訊模塊完成該設(shè)想。德州儀器的cc430系列單片機上集成了射頻無線通訊模塊，該傳輸方式的距離遠，信號強，但由于工作頻率的限制，日常生活中的其他射頻電路設(shè)備會對該設(shè)備產(chǎn)生干擾，且需要外搭天線進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的功能，即使使用了集成芯片，仍需外搭天線，體積上并沒有很明顯的縮小。這就需要發(fā)送端和接收端兩套天線系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸模塊，考慮到成本與系統(tǒng)方便性，此方法在本設(shè)計中不方便實現(xiàn)，故本設(shè)計不選用此方法；藍牙模塊的通信距離<10m，通信可靠相對安全，體積相對大，難以集成，故選用外置模塊與系統(tǒng)進行連接。且現(xiàn)階段藍牙傳輸芯片已應(yīng)用于諸多電子產(chǎn)品中，極易實現(xiàn)基于上位機的設(shè)計，故本系統(tǒng)采用藍牙模塊作為無線通訊模塊。

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圖6 藍牙通訊模塊

本系統(tǒng)的工作流程如下：系統(tǒng)工作后DS1302實時時鐘芯片開始工作，設(shè)置定時24小時，芯片啟動后主控芯片進入低功耗模式，此時僅實時時鐘芯片和系統(tǒng)晶振工作，經(jīng)過估算，其功耗可低至xx；實時時鐘設(shè)置的時間結(jié)束后，系統(tǒng)經(jīng)I/O口中斷被喚醒，進入工作模式，主控芯片向傳感器發(fā)送開始采集信號，收到應(yīng)答指令后，傳感器開始經(jīng)由SDA和SCL信號線向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)；主控芯片收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)寫入其片內(nèi)的FLASH模塊中；同時經(jīng)芯片上的UART串口通訊協(xié)議與藍牙發(fā)送端相連，藍牙模塊將數(shù)據(jù)通過藍牙通訊的方式傳輸?shù)缴衔粰C中，上位機軟件直接調(diào)用上位機藍牙端收到數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理。系統(tǒng)運行一小時后將會對之前一小時的數(shù)據(jù)進行簡單分析，得出室內(nèi)環(huán)境是否合格的結(jié)論，是否合格都會將結(jié)論信息發(fā)送到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的手機號碼上，告知用戶室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量情況。

圖7 GSM通訊模塊實現(xiàn)短信發(fā)送功能

數(shù)據(jù)存儲與藍牙通訊模式的設(shè)計：考慮到實際的應(yīng)用要求，本團隊選擇采取存儲數(shù)據(jù)和藍牙實時通訊同時進行的處理方法，系統(tǒng)的設(shè)計初衷是室內(nèi)空間封閉過程和采集測試過程無需操作人員現(xiàn)場操作，系統(tǒng)自動將檢測到的數(shù)據(jù)存儲在FLASH中，檢測結(jié)束后讀取主控芯片F(xiàn)LASH中的內(nèi)容，完成存儲測試的功能。由于此類模式主要獲得室內(nèi)空氣質(zhì)量的實時變化情況，但與原有化學(xué)試劑法消耗的時間并無不同，且兩種方法的用戶與測試人員仍無法得知室內(nèi)的實時信息，考慮到部分用戶想得知實時的檢測結(jié)果的需求，設(shè)計了基于藍牙通訊的無線通訊模式，這使用戶能夠不進入室內(nèi)就能得知室內(nèi)實時的空氣質(zhì)量狀況，結(jié)合GSM通訊模塊可將部分信息通過短信形式發(fā)送到用戶手機，做到對房間內(nèi)信息的了解。

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圖8 系統(tǒng)工作流程圖

FLASH閃存則是一種非易失性（Non-Volatile）內(nèi)存，在沒有電流供應(yīng)的條件下也能夠長久地保持數(shù)據(jù)，其存儲特性相當(dāng)于硬盤，這項特性正是閃存得以成為各類便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲介質(zhì)的基礎(chǔ)。與各類DDR、SDRAM或者RDRAM不同的是，他們都屬于揮發(fā)性內(nèi)存，只要停止電流供應(yīng)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)便無法保持，因此每次電腦開機都需要把數(shù)據(jù)重新載入內(nèi)存。FLASH則不同，當(dāng)數(shù)據(jù)信息寫入到FLASH中后，除非FLASH接到專用命令對寫入的數(shù)據(jù)進行擦除，否則數(shù)據(jù)將一直保存在FLASH模塊的相應(yīng)地址中，試驗后僅需部分執(zhí)行讀取操作就可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，安全可靠。FLASH作為可靠性存儲單元，其安全性毋庸置疑，但是由于其寫入速度較慢，采樣頻率過快極易造成大量數(shù)據(jù)的丟失，經(jīng)過實驗，采樣頻率在65khz以上時，數(shù)據(jù)將發(fā)生丟失。且FLASH的擦除寫入次數(shù)有限制，大量頻繁的擦除寫入容易引起存儲器壞塊。

自適應(yīng)采樣設(shè)計：進行室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測的目的在于檢測裝修后室內(nèi)空氣空氣質(zhì)量是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)。國標(biāo)規(guī)定，進行測試的空間應(yīng)關(guān)門關(guān)窗保持密閉24小時以上再進行室內(nèi)氣體環(huán)境質(zhì)量檢測，時間到后，工作人員穿著專業(yè)防護設(shè)備并佩戴專用口罩進入室內(nèi)布置設(shè)備，且測試時仍需保持空間的密閉，故在以上實驗條件下，室內(nèi)環(huán)境將在工作人員進入后發(fā)生大幅度突變，且設(shè)備開始記錄時不能恢復(fù)穩(wěn)定。

基于上述實驗條件，測試空間內(nèi)的氣體屬于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有特殊情況將不會發(fā)生突變，若室內(nèi)氣體在起初一小時內(nèi)就已經(jīng)檢測合格，則在之后的實驗中無需按照原先的頻率存取數(shù)據(jù)，可適當(dāng)降低采樣頻率以達到降低功耗的功能；若檢測一小時內(nèi)發(fā)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的污染物濃度超出國家標(biāo)準(zhǔn)的情況，則系統(tǒng)依舊按照預(yù)先設(shè)計的采樣頻率繼續(xù)采樣，獲得真實的污染情況變化圖；考慮到個別室內(nèi)養(yǎng)殖植物習(xí)性不同可能產(chǎn)生室內(nèi)污染，故在降低采樣頻率時，若檢測到了室內(nèi)環(huán)境污染物值發(fā)生突變，系統(tǒng)會立刻提升采樣頻率，對污染物變化情況進行詳細記錄，待空氣質(zhì)量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)后，系統(tǒng)再次調(diào)低采樣頻率，盡可能降低系統(tǒng)功耗，本系統(tǒng)這種的這種采樣頻率根據(jù)采樣值需要進行變化的方法稱為自適應(yīng)采樣。

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圖9 自適應(yīng)采樣流程圖

低功耗設(shè)計，電路的功耗與供電電壓的平方成正比，因此在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提下，選擇降低器件的供電電壓可以減小系統(tǒng)功耗。在功能模塊工作時應(yīng)提供穩(wěn)定的電壓，在不工作的時候應(yīng)關(guān)閉供電電源。為了保障系統(tǒng)供電并且降低組件閑置時的能耗，選擇適當(dāng)?shù)碾娫垂芾砜梢詫崿F(xiàn)系統(tǒng)的智能控制。

MSP430系列單片機正常工作時電壓范圍為1.8-3.6V，而且其工作的頻率與電壓有關(guān)，在Flash擦除或者編程時要求的最低供電電壓為2.7V，其詳細的關(guān)系如下圖所示。在頻率滿足處理速度要求下，應(yīng)盡可能采用低的電源電壓。綜合考慮系統(tǒng)模擬部分、倒置開關(guān)和外圍晶振的供電需求，選用了可以同時輸出兩路2.8V穩(wěn)定電壓的LP5996-2828型號的電源管理芯片。其中在外圍晶振和模擬部分電路在不需要工作的時候，可以控制不給其供應(yīng)電源，依此來降低功耗。

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圖10 MSP430功耗圖

由于系統(tǒng)工作時的電流消耗與其在此狀態(tài)下的工作頻率成正比關(guān)系，只有將兩者處理恰當(dāng)?shù)那闆r下，才能使得電路的功耗不至于過大，并且系統(tǒng)的工作又能夠快速精確的執(zhí)行。MSP430所有器件都有時鐘模塊，都能實現(xiàn)超低功耗。振蕩器和系統(tǒng)時鐘發(fā)生器的主要設(shè)計目標(biāo)是廉價和低功耗。MSP430F4XX系列單片機時鐘模塊應(yīng)用了增強型鎖相環(huán)技術(shù)FLL+，硬件自動調(diào)整DCO(數(shù)字控制晶體振蕩器)頻率，支持時鐘配置的超低功耗應(yīng)用。

軟件說明

3.軟件說明：

為配合硬件電路采集數(shù)據(jù)的處理，利用Labview平臺設(shè)計了針對性的上位機軟件，使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，以框圖的形式產(chǎn)生的程序，使用靈活，直觀高效。現(xiàn)對配套使用的上位機軟件進行說明。

該軟件實現(xiàn)的功能是對采集數(shù)據(jù)進行分析處理，其有兩種主要功能，一是將現(xiàn)有數(shù)據(jù)實時處理結(jié)果顯示；二是將預(yù)先實驗保存到計算機上的數(shù)據(jù)在繪圖區(qū)進行復(fù)現(xiàn)以進行后續(xù)分析。

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圖11 軟件界面

該軟件的界面分為三部分，命令區(qū)、繪圖區(qū)與數(shù)值顯示區(qū)。命令區(qū)由無線數(shù)據(jù)傳輸、打開本地數(shù)據(jù)和退出系統(tǒng)三項指令組成。

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圖12-（a）命令區(qū)

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圖12-（b）繪圖區(qū)

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圖12-（c）數(shù)據(jù)顯示區(qū)

無線傳輸數(shù)據(jù)按鍵的功能是控制采集系統(tǒng)和藍牙傳輸模塊的開啟與關(guān)閉，點擊“無線傳輸數(shù)據(jù)”后，軟件將開始采集指令經(jīng)藍牙模塊發(fā)至主控芯片，主控芯片控制傳感器開始采集，測試數(shù)據(jù)將通過藍牙傳輸?shù)姆绞街苯语@示到上位機界面，使得用戶得知實時的室內(nèi)空氣質(zhì)量效果，同時，軟件彈出相應(yīng)的操作框，設(shè)定測試的相關(guān)信息和保存路徑；

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圖13-（a）無線數(shù)據(jù)傳輸按鍵圖

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圖13-（b）路徑選擇與相關(guān)信息錄入

打開本地數(shù)據(jù)按鍵的功能是讀取已經(jīng)保存在本地機器上的文件，點擊“打開本地數(shù)據(jù)”后，將彈出默認路徑的文件選擇的對話框，選擇好需要讀取的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)由計算機硬盤讀入內(nèi)存,同時在繪圖區(qū)顯示數(shù)據(jù)文件的曲線，并在數(shù)據(jù)顯示區(qū)顯示該段檢測值的統(tǒng)計信息和相關(guān)的時間信息。

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