室内甲醛检测系统开发方案

1、甲醛浓度监控系统开发方案：本项目旨在开发一个甲醛浓度监控系统，本系统采用了无线的传输方式，并且结合了无线传感器网络来最终实现数据的传输。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN，以下简称传感器网络)。传感器网络由部署在监测区域内的大量微型传感器组成，并通过无线通信方式形成多跳的自组织网络，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器网络通常由多个单节点组成，各节点通过传感或控制参数实现与周围环境的交互，节点之间必须通过相互关联才能完成特定的任务，单个节点通常无法发挥作用，而节点之间的关联性则是通过无线通信的方式实现。因此，节

2、点至少具有计算处理、无线通信、传感或控制能力。1、甲醛监控系统的体系结构整体上甲醛监测采用DCS“分散控制，集中管理”的控制方式，系统主要包括监控中心、下位机数据采集系统和无线收发系统。监控中心包括一台计算机系统和一套的无线收发接口装置，实现甲醛的实时数据采集、存储、分析以及监视，并执行控制算法向相应输出驱动装置发出控制指令。下位机数据采集系统由工作人员操作或摆放在工厂或房间的某个部分检测甲醛浓度的含量，依靠无线发送系统与监控中心进行实时的信息交换。下位机传感器与监控中心的通信以无线通信方式实现。下位机传感器通过多跳链路将传感器节点采集的甲醛信息发送给监控中心。监控中心数据基站数据基站数据基站

3、甲醛检测仪甲醛检测仪甲醛检测仪甲醛检测仪甲醛检测仪甲醛检测仪设计任务主要包括无线收发模块硬件电路设计，上位机监控软件的设计以及无线传输过程中各种协议的设计。2、无线传感器节点设计无线传感网络系统一般由监控中心、传感器节点和数据处理模块，汇聚节点四部分组成。由于设计的需要和甲醛检测环境的要求，本系统简化了无线传感网络的结构。汇聚节点在本系统中即为数据转发基站包括无线通信模块，数据处理模块与PC机通信模块三部分。传感器节点在本系统即为便携式甲醛检测仪，在无线收发模块组成的基础上又增加了数据采集模块，其模块框图如下图所示。监控中心与数据转发基站之间通过RS485接口进行数据的传输。电源传感器A/D转

4、换处理器无线收发器存储器无线收发系统结合现有的实验条件和科研能力，设计方案最终选用MSP430系列MCU+nRF2401无线收发模块作为基本的芯片配置，再附之其他功能模块，实现整个传感器节点的功能。MSP430系列集成度高，芯片尺寸仅10mm*tOrero，Io口扩展丰富且功耗极低nRF2401工作在24GHz-ISM频段，也有很高的集成度(片内集成了射频前端)，尺寸小。该设计方案不但性能出色，功耗低，接口电路扩展丰富，而且可以得到芯片设计厂家提供的各类技术支持，从而提高了原型节点试制的成功。2.1通信协议：Home RF是在家庭区域范围内的任何地方，在PC机和用户电子设备之间实现无线数字通信

5、的开放性工业标准。该协议主要针对家庭无线局域网，其数据通信采用简化IEEE80211协议标准，沿用了以太网带有冲突检测的载波监听多址技术CSMACD；在进行语音通信时采用DECT标准，使用TDMA时分多址技术。Home RF工作频段是24GHz，支持数据和音频。基于该协议的网络是对等网，即网上的每一个节点都是相对独立的，不受中央节点的控制，因此任何一个节点离开网络都不会影响到网络上其他节点的正常工作。它的另外一个特点是低功耗。HomeRF采用跳频扩频(FHSS)技术，跳频速率为50跳秒，共有75个带宽为1MHz的跳频信道。调制方式为恒定包络的FSK调制，分为2FSK与4FSK两种(注：采用调频

6、调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落。)。2FSK方式下，最大数据的传输速率为1Mbps；4FSK方式下，速率可达2Mbps。在新的标准Home RF 2x标准中，采用了wBFH(Wide Band Frequency Hopping，宽带调频)技术来增加跳频带宽，由原来的1MHz跳频信道增加到3MHz、5MHz，跳频的速率也增加到75跳秒，数据峰值达到lOMbps。不难看出Home RF作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础。工作在2.4GHz的ISM频段，抗干扰能力强，数据传输速率达，其有效数据传输距离超过lOm，不受到障碍物的影响。因此本系统采用

7、nRF2401模块作为无线传送的解决方案。2.2 收发模块：nRF2401是一款单片型射频收发芯片，其工作于世界通用的24-25GHz的ISM频段。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块。通过3线串行接口，可以很容易的利用程序对输出功率和通信频道进行配置。该芯片功耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有105mA，另接收模式时工作电流只有18mA。内置的掉电模式使得节能变的更容易实现。nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。2.3

8、 处理器选用：MSP430芯片完全符合了本系统低成本和低功耗的需求，在MSP430系列芯片中本系统最后选择了MSP430F135芯片作为中央处理嚣模块的器件。MSP430F135单片机具有丰富的内部资源：16KB+256B闪速存储器、512B的RAM、两个内置16位定时器、一个快速12位AD转换器，一个通用串行同步异步通信接口(USART)和48个IO引脚。此外，由于其16位体系结构，16位的CPO集成寄存器和常数发生器，可使单片机实现最大化的代码率。5种省电模式，数字控制振荡器使所有低功率模式唤醒10运行模式小于6“S的唤醒时间HSP430F135单片机典型应用为传感器系统，把模拟信号转换成

9、数字信、处理并发送数据到主系统。定时器令MCU配置适合于数字电机控制、EE仪表、手持仪表等的工业测量、控制应用。MSP430FJ35单片机的时钟由高速晶体、低速晶体、数字控制振荡器DCO构成。这些基础时钟模块可输出三种不同频率的时钟：ACLH(辅助时钟)、MCLK(主系统时钟)和SMCLK(子系统时钟)，送给各种不同需求的模块。系统的功耗与系统工作的频率成正比。正是由于有三种不同频率的时钟输出给不同的模块，才能使得整个系统超低功耗成为可能。如用户可用高速晶体产生频率较高的HCLK供给CPU以满足高速的数据运算的需要也可以在不需要CPU工作的时候关闭MCLN；而对于实时时钟可用较准确的ACLK供

10、给；为减少电流消耗、EMI(电磁干扰)等可使用低频率。3、数据基站与监控中心串行通信的设计当传感器的检测数据传输到处理器之后，经处理器的处理后通过无线收发模块传送给监控中心，无线收发模块与监控中心之间的通信需要转换。该系统采用RS-485的通信标准实现通信。因为RS一485接口具有良好的抗噪声干扰性，较长的传输距离等上述优点，成为很多串口通信的首选方式。RS一485接口组成的半双工网络，一般只需两根连线，所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输。单片机系统和上位机之间采用MAX3485ESA芯片完成收发功能。MAX3485ESA是一系Y0+33V低功耗半双工收发器，它们完全满足RS485和RS422串行协议的要求；并且MAX3485ESA采用单一+33V的工作电源。MAX3485ESA符合RS-485/RS-422串行协议的电气规范，数据传输速率可高达10Mbps(带负载),MAX3485ESA还包含低功耗关断模式