基于單片機(jī)的分布式無線氣體監(jiān)測裝置

夏 駿，王 甜

(陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

目前，在實際生產(chǎn)、生活的諸多領(lǐng)域中，氣體檢測都有著廣泛的應(yīng)用，它不僅適用于石油、化工、冶金等工業(yè)現(xiàn)場，也同樣適用于家庭、商場、加油站等各種生活服務(wù)場所。不過，正是因為其適用領(lǐng)域較多，而帶來了一系列問題。例如，有些場合由于環(huán)境復(fù)雜，線路鋪設(shè)、檢修十分困難，而且線路故障、老化等不可見因素的存在，也成為了安全隱患。其次，不同的領(lǐng)域?qū)τ跈z測氣體的類型需求也不同，市場上出現(xiàn)了多種類型的氣體檢測裝置，雖然也可達(dá)到用戶要求，但是這無疑提高了成本，降低了裝置的適用性，造成資源浪費(fèi)。針對這些問題，設(shè)計了一種可靠的能夠讓用戶自行選擇檢測氣體種類的分布式無線氣體檢測裝置，用來應(yīng)對復(fù)雜高危的工作環(huán)境，解決有線傳輸帶來的布線困難、故障檢查困難等缺點，最大程度上滿足不同用戶的需求，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和監(jiān)測能力［1］。

1 系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的氣體監(jiān)測裝置以多功能、易操作、穩(wěn)定可靠為目的，實現(xiàn)多種氣體無線監(jiān)測的功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。首先，用戶根據(jù)具體需要，確定要監(jiān)測的氣體種類，選擇特定的傳感模塊，并接入到分機(jī)指定的接口，系統(tǒng)設(shè)計最多可接入8種不同的氣體檢測模塊。系統(tǒng)正常工作時，分機(jī)監(jiān)測各氣體傳感模塊，一旦發(fā)現(xiàn)某氣體濃度超標(biāo)，單片機(jī)接收到相應(yīng)氣體傳感器發(fā)出的信號，啟動無線發(fā)射單元，向主機(jī)發(fā)送信息。主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理分析，送到液晶顯示，并啟動報警電路。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 MQ系列氣體傳感模塊

在選擇傳感器時，一定要考慮到穩(wěn)定性、靈敏度、選擇性和抗腐蝕性，系統(tǒng)采用MQ系列的氣體傳感器來監(jiān)測氣體濃度信息。MQ系列氣體傳感器是氣敏傳感器，其具有很高的靈敏度良好的選擇性、長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。MQ型氣敏傳感器由微型陶瓷管和敏感層，測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。該系列氣敏傳感器類型全面，包括MQ－2煙霧傳感器、MQ－3酒精傳感器、MQ－4甲烷傳感器、MQ－5液化氣傳感器、MQ－8氫氣傳感器等多種氣敏傳感器，同時各個傳感器之間電路通用性強(qiáng)［2］，能夠滿足不同場所中的氣體檢測要求。

MQ系列氣體傳感模塊設(shè)有雙路信號輸出，設(shè)計中由于可監(jiān)測氣體種類較多，使用TTL電平輸出可減少單片機(jī)的數(shù)據(jù)量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，其接口電路如圖2所示。

圖2 氣敏傳感模塊接口電路

3 NRF905無線收發(fā)模塊

系統(tǒng)選用以挪威Nordic公司生產(chǎn)的無線數(shù)傳芯片NRF905為核心設(shè)計的NRF905無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。該模塊具有以下特點［3］:(1)工作電源電壓范圍1.9～3.6 V。(2)輸出功率可調(diào)至10 dBm。(3)偵測接收的數(shù)據(jù)包、當(dāng)?shù)刂氛_輸出地址匹配信號。(4)數(shù)據(jù)包自動重發(fā)功能。(5)自動產(chǎn)生CRC校驗碼和前導(dǎo)碼。(6)低工作電流，TX工作狀態(tài)在輸出功率為－10 dBm時典型值為11 mA，RX工作狀態(tài)，典型值為12.5 nA。(7)數(shù)據(jù)包發(fā)送:曼切斯特編碼，抗零電平能力強(qiáng)。(8)傳輸速率:100 kbit·s－1;工作頻率:433/868/915 MHz。

nRF905模塊具有ShockBurst接收、ShockBurst發(fā)射、掉電與SPI編程、待機(jī)與SPI編程4種工作模式，這4種模式的選擇通過對PWR_UP、TRX_CE和TX_EN的設(shè)置來決定［4］。nRF905模塊在ShockBurst工作模式的特點是自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗碼，使用SPI接口與微控制器通信。下面給出了nRF905模塊的SPI串行接口的指令設(shè)置［5］:

#define WC0x00//寫配置寄存器指令

#define RC0x10//讀配置寄存器指令

#define WTP0x20//向TX_Payload寄存器寫入發(fā)送有效數(shù)據(jù)指令

#define RTP0x21//從TX_Payload寄存器讀取發(fā)送有效數(shù)據(jù)指令

#define WTA 0x22//向TX_Address寄存器寫入發(fā)送地址指令

#define RTA 0x23//從TX_Address寄存器讀取發(fā)送地址指令

#define RRP 0x24//從RX_Payload寄存器讀取接收到的有效數(shù)據(jù)指令

綜上所述，NRF905具有通信速率快、微控制器編程工作量小、功耗低、提高抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，滿足通信可靠性要求。同時，433 MHz的ISM頻段，具有較強(qiáng)的穿透能力和較遠(yuǎn)的傳輸距離，可實現(xiàn)室內(nèi)的較遠(yuǎn)距離傳輸。圖3為NRF905芯片應(yīng)用原理圖［6］。

圖3 NRF905應(yīng)用原理圖

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的程序流程如圖4所示，單片機(jī)可以通過上電復(fù)位實現(xiàn)系統(tǒng)裝置的重啟，并進(jìn)行相應(yīng)的模塊初始化。當(dāng)分機(jī)氣體傳感器監(jiān)測到氣體濃度超標(biāo)后，給單片機(jī)發(fā)送信號，單片機(jī)判斷處理無誤后，啟動無線發(fā)送;主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，返回一個應(yīng)答信號，分機(jī)復(fù)位，無線模塊恢復(fù)待機(jī)模式。主機(jī)開始對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，而后將結(jié)果送入LCD顯示，并啟動報警電路，當(dāng)對主機(jī)手動復(fù)位后，恢復(fù)正常工作模式，繼續(xù)檢測新數(shù)據(jù)。

圖4 程序流程圖

5 測試結(jié)果

在實驗中，系統(tǒng)一旦監(jiān)測到當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的氣體濃度大于所設(shè)定的閾值時，自動發(fā)出報警信號，并通過液晶顯示當(dāng)前的超標(biāo)氣體類型及相關(guān)監(jiān)測點地址等信息，待監(jiān)測范圍內(nèi)的氣體濃度值恢復(fù)正常或被手動復(fù)位后，停止報警。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，該裝置在室內(nèi)實際收發(fā)距離約為50 m，室外開闊地帶通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)200 m，短距離數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，但實際應(yīng)用中由于環(huán)境復(fù)雜，有時需要較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信。為解決這一問題，特對系統(tǒng)設(shè)計做出了一些改進(jìn)，通過增設(shè)中繼機(jī)，作為數(shù)據(jù)傳輸樞紐，可大幅增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸范圍，使系統(tǒng)的適應(yīng)性得到提高。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于:采用分布式無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和同系列多種氣體傳感模塊的配合使用，系統(tǒng)根據(jù)具體需要，可以完成各類氣體的監(jiān)測工作。通過設(shè)置中繼機(jī)，還可增加通信距離，有效解決了各工作現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜的問題，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］甄麗平，司紹偉.具有無線收發(fā)功能的氣體檢測裝置設(shè)計［J］.中國科技信息，2011(9):166 －167.

［2］李麗華，黃秋野，王琦.基于單片機(jī)的酒精濃度檢測儀設(shè)計［J］.科技廣場，2009(3):166－168.

［3］楊進(jìn)寶.基于nRF905的醫(yī)院病房無線呼叫系統(tǒng)設(shè)計［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā):學(xué)術(shù)版，2011，30(11):11 －13.

［4］馬金祥，何一鳴.基于nRF905模塊的AT89S單片機(jī)無線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計［J］.通信技術(shù)，2009，42(2)36 －38.

［5］王萍，陳長青，龔睿，等.基于 nRF905的無線串口通信系統(tǒng)［J］.微計算機(jī)信息，2007(32):281－282.

［6］禹春生，王朝暉，焦斌亮.具有無線收發(fā)功能的可燃?xì)怏w檢測裝置［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(6):118 －119.

［7］郭天祥.51單片機(jī)C語言教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009(3):65－69.