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基于MSP430的无线室内环境评估测试仪

随着人们生活水平的提高,越来越多的人重视自身的身体健康,对于室内环境,尤其是装修后的室内空气质量十分关注。

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团队介绍

RR0702 RR0702

团队成员

陈增瑞 学生

孙艺哲 学生

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项目简介
随着人们生活水平的提高,越来越多的人重视自身的身体健康,对于室内环境,尤其是装修后的室内空气质量十分关注。
硬件说明

市面上的第三方检测机构一般采用化学试剂检测法,该方法有几个明显的缺点,一是检测周期长且只能测污染物含量峰值,无法得知其变化过程及趋势;二是检测时仪器在室内,检测人员在室外,无法得知检测仪实时情况,想得知测试情况需先等待24小时,实验结束后测试人员将样品带回实验室进行为期一周的监测才能得知室内空气状况,而在此期间用于仍居住于该室内。三是,国标规定检测前应先保持检测环境封闭达24小时以上,随后测试人员进场布置设备,检测开始后测试人员撤出检测空间,因而检测人员的进入和退出会使室内空气发生大规模扰动,影响仪器的检测。

对此,基于上述的检测过程描述,本团队考虑设计研发一款基于IDT气体传感器套件的具有存储测试功能的室内环境评估测试仪。该测试仪采用蓝牙作为数据传输方式,使测试人员不需进入测试环境就能获得实时测试结果;另外,该设备兼具无线开关功能,和实时时钟定时功能,避免了工作人员进入室内布置仪器对室内环境产生的影响,室内气体始终保持平衡,使测量结果更准确可信。

本设计主控芯片选用德州仪器的MSP430系列单片机,该单片机处理能力强、运算速度快,片内资源丰富,可以满足作为本系统的控制中枢的设计要求;通讯模块选择蓝牙模块和GSM通讯模块,分别实现将实时检测结果发送到上位机和将检测部分结果以短信形式发送到预设电话号码通知用户的功能;传感模块选用的IDT公司的ZMOD4410-EVK Evaluation Kit开发套件中的传感器部分,该传感器通过IIC通讯接口与通讯板进行数据传输,随后由通讯板经由USB接口将数据发送到与之相连的上位机,由于本系统设计的数据传输方式为无线传输,故将传感器部分直接通过IIC协议相关的SDA和SCL信号线传输到传输至主控芯片进行后续处理;为了降低系统功耗,系统还使用了实时时钟芯片DS1302。对于主控芯片的片上资源,本系统使用了片上定时器和片上FLASH存储器,分别实现自适应采样策略的控制和存储采集数据的功能。

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图2 检测系统设计结构图

本系统的控制模块选用的单片机为MSP430F149,该单片机内部有60KB的FLASH、2KB RAM以及片上定时器,时钟为8MHz晶振,作为电路的主控制芯片, MSP430系列单片机是市场普遍公认的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。其电源电压采用1.8-3.6V,待机电流小于1uA,在RAM数据保持方式时耗电仅0.1uA,在活动模式时耗电250uA/MIPS(MIPS:每秒百万条指令数),I/O输出端口的漏电流最大为50nA,远低于其他系列单片机(一般为1-10μA)。它有6中工作模式,1种活动模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0-LPM4)。在不同的低功耗模式下,消耗电流在0.1-400μA之间。CPU进入低功耗模式后,用中断的方式可将其唤醒,仅需要6μs的时间。考虑到系统为电池供电,故选用带有低功耗模式且拥有较强处理能力的MSP430系列单片机。

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图3 MSP430F149单片机

本系统选用DS1302实时时钟芯片,由于国家空气质量检测规程要求,检测环境应保持封闭静置24小时以上才可进行后续检测。考虑到规定时间到后仍需工作人员手动遥控开启设备的操作的设计仍然使用不便,本设计选择使用定时器实现房间封闭静置时定时24小时的功能,实验人员在布置好装置后,定时启动,待定时时间到后,采集记录系统开始工作。由于使用单片机内部的定时器功耗较大,且单片机进入低功耗模式后内部定时器将停止工作,这与本系统设想的低功耗设计的思路相背离。故此处选用外置实时时钟芯片实现定时功能,该芯片的功耗仅为0.3mA,且支持外置纽扣电池供电,既不占用单片机供电电源,又能节约总体功耗,是一款十分理想的芯片。


图4 DS1302实时时钟芯片原理图、片角图、实物图

GSM通讯模块实现的功能是实现远程通讯,将系统测试结果以短信方式发送到用户手机。由于室内环境到达稳定后,突然发生变化的可能性并不大,故在检测开始后的一小时,数据基本可以代表室内空间的大体情况,由于进行气体检测时,需花费大量时间,即使能进行实时监测室内气体情况,用户也不必时刻进行监视。此设计的目的是考虑到部分用户有工作需要,故将系统采集一小时内数据的统计信息以短信形式发送到用户的手机,使用户能对室内信息有大致了解;其次,操作人员在布置好设备后,不必在现场等待,可在收到带有室内环境信息的短信后再决定是否需要到现场进行实时数据的读取,大大提高了工作效率。

图5 GSM通讯模块实物图

蓝牙模块设计,无线传输是本次设计的一个难点,现考虑射频无线通讯模块与蓝牙通讯模块完成该设想。德州仪器的cc430系列单片机上集成了射频无线通讯模块,该传输方式的距离远,信号强,但由于工作频率的限制,日常生活中的其他射频电路设备会对该设备产生干扰,且需要外搭天线进行数据发送和接收的功能,即使使用了集成芯片,仍需外搭天线,体积上并没有很明显的缩小。这就需要发送端和接收端两套天线系统和数据传输模块,考虑到成本与系统方便性,此方法在本设计中不方便实现,故本设计不选用此方法;蓝牙模块的通信距离<10m,通信可靠相对安全,体积相对大,难以集成,故选用外置模块与系统进行连接。且现阶段蓝牙传输芯片已应用于诸多电子产品中,极易实现基于上位机的设计,故本系统采用蓝牙模块作为无线通讯模块。

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图6 蓝牙通讯模块

本系统的工作流程如下:系统工作后DS1302实时时钟芯片开始工作,设置定时24小时,芯片启动后主控芯片进入低功耗模式,此时仅实时时钟芯片和系统晶振工作,经过估算,其功耗可低至xx;实时时钟设置的时间结束后,系统经I/O口中断被唤醒,进入工作模式,主控芯片向传感器发送开始采集信号,收到应答指令后,传感器开始经由SDA和SCL信号线向芯片发送数据;主控芯片收到数据后将数据写入其片内的FLASH模块中;同时经芯片上的UART串口通讯协议与蓝牙发送端相连,蓝牙模块将数据通过蓝牙通讯的方式传输到上位机中,上位机软件直接调用上位机蓝牙端收到数据进行后续处理。系统运行一小时后将会对之前一小时的数据进行简单分析,得出室内环境是否合格的结论,是否合格都会将结论信息发送到系统预设的手机号码上,告知用户室内环境的质量情况。

图7 GSM通讯模块实现短信发送功能

数据存储与蓝牙通讯模式的设计:考虑到实际的应用要求,本团队选择采取存储数据和蓝牙实时通讯同时进行的处理方法,系统的设计初衷是室内空间封闭过程和采集测试过程无需操作人员现场操作,系统自动将检测到的数据存储在FLASH中,检测结束后读取主控芯片FLASH中的内容,完成存储测试的功能。由于此类模式主要获得室内空气质量的实时变化情况,但与原有化学试剂法消耗的时间并无不同,且两种方法的用户与测试人员仍无法得知室内的实时信息,考虑到部分用户想得知实时的检测结果的需求,设计了基于蓝牙通讯的无线通讯模式,这使用户能够不进入室内就能得知室内实时的空气质量状况,结合GSM通讯模块可将部分信息通过短信形式发送到用户手机,做到对房间内信息的了解。

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图8 系统工作流程图

FLASH闪存则是一种非易失性(Non-Volatile)内存,在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据,其存储特性相当于硬盘,这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。与各类DDR、SDRAM或者RDRAM不同的是,他们都属于挥发性内存,只要停止电流供应内存中的数据便无法保持,因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存。FLASH则不同,当数据信息写入到FLASH中后,除非FLASH接到专用命令对写入的数据进行擦除,否则数据将一直保存在FLASH模块的相应地址中,试验后仅需部分执行读取操作就可以将数据导出,安全可靠。FLASH作为可靠性存储单元,其安全性毋庸置疑,但是由于其写入速度较慢,采样频率过快极易造成大量数据的丢失,经过实验,采样频率在65khz以上时,数据将发生丢失。且FLASH的擦除写入次数有限制,大量频繁的擦除写入容易引起存储器坏块。

自适应采样设计:进行室内空气质量检测的目的在于检测装修后室内空气空气质量是否符合国家标准。国标规定,进行测试的空间应关门关窗保持密闭24小时以上再进行室内气体环境质量检测,时间到后,工作人员穿着专业防护设备并佩戴专用口罩进入室内布置设备,且测试时仍需保持空间的密闭,故在以上实验条件下,室内环境将在工作人员进入后发生大幅度突变,且设备开始记录时不能恢复稳定。

基于上述实验条件,测试空间内的气体属于稳定状态,没有特殊情况将不会发生突变,若室内气体在起初一小时内就已经检测合格,则在之后的实验中无需按照原先的频率存取数据,可适当降低采样频率以达到降低功耗的功能;若检测一小时内发现室内环境的污染物浓度超出国家标准的情况,则系统依旧按照预先设计的采样频率继续采样,获得真实的污染情况变化图;考虑到个别室内养殖植物习性不同可能产生室内污染,故在降低采样频率时,若检测到了室内环境污染物值发生突变,系统会立刻提升采样频率,对污染物变化情况进行详细记录,待空气质量满足国家标准后,系统再次调低采样频率,尽可能降低系统功耗,本系统这种的这种采样频率根据采样值需要进行变化的方法称为自适应采样。

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图9 自适应采样流程图

低功耗设计,电路的功耗与供电电压的平方成正比,因此在满足系统稳定工作的前提下,选择降低器件的供电电压可以减小系统功耗。在功能模块工作时应提供稳定的电压,在不工作的时候应关闭供电电源。为了保障系统供电并且降低组件闲置时的能耗,选择适当的电源管理可以实现系统的智能控制。

MSP430系列单片机正常工作时电压范围为1.8-3.6V,而且其工作的频率与电压有关,在Flash擦除或者编程时要求的最低供电电压为2.7V,其详细的关系如下图所示。在频率满足处理速度要求下,应尽可能采用低的电源电压。综合考虑系统模拟部分、倒置开关和外围晶振的供电需求,选用了可以同时输出两路2.8V稳定电压的LP5996-2828型号的电源管理芯片。其中在外围晶振和模拟部分电路在不需要工作的时候,可以控制不给其供应电源,依此来降低功耗。

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图10 MSP430功耗图

由于系统工作时的电流消耗与其在此状态下的工作频率成正比关系,只有将两者处理恰当的情况下,才能使得电路的功耗不至于过大,并且系统的工作又能够快速精确的执行。MSP430所有器件都有时钟模块,都能实现超低功耗。振荡器和系统时钟发生器的主要设计目标是廉价和低功耗。MSP430F4XX系列单片机时钟模块应用了增强型锁相环技术FLL+,硬件自动调整DCO(数字控制晶体振荡器)频率,支持时钟配置的超低功耗应用。


软件说明

3.软件说明:

为配合硬件电路采集数据的处理,利用Labview平台设计了针对性的上位机软件,使用的是图形化编辑语言G编写程序,以框图的形式产生的程序,使用灵活,直观高效。现对配套使用的上位机软件进行说明。

该软件实现的功能是对采集数据进行分析处理,其有两种主要功能,一是将现有数据实时处理结果显示;二是将预先实验保存到计算机上的数据在绘图区进行复现以进行后续分析。

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图11 软件界面

该软件的界面分为三部分,命令区、绘图区与数值显示区。命令区由无线数据传输、打开本地数据和退出系统三项指令组成。

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图12-(a)命令区

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图12-(b)绘图区

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图12-(c)数据显示区

无线传输数据按键的功能是控制采集系统和蓝牙传输模块的开启与关闭,点击“无线传输数据”后,软件将开始采集指令经蓝牙模块发至主控芯片,主控芯片控制传感器开始采集,测试数据将通过蓝牙传输的方式直接显示到上位机界面,使得用户得知实时的室内空气质量效果,同时,软件弹出相应的操作框,设定测试的相关信息和保存路径;

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图13-(a) 无线数据传输按键图

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图13-(b) 路径选择与相关信息录入

打开本地数据按键的功能是读取已经保存在本地机器上的文件,点击“打开本地数据”后,将弹出默认路径的文件选择的对话框,选择好需要读取的数据后,数据由计算机硬盘读入内存,同时在绘图区显示数据文件的曲线,并在数据显示区显示该段检测值的统计信息和相关的时间信息。

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图14-(a) 打开本地数据按键图

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图14-(b) 数据选择界面

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图14-(c) 数据读取至绘图区

数据显示区可显示特定时间段内的的数据统计信息,即该时间区域中值,以及出现该值所对应的时间,方便用户对数据有更详细的了解。

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图15 数值显示区

点击退出系统按钮,软件将关闭。

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图16 退出系统按钮


演示效果

系统工作流程

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1.检测系统上电后,首先进入低功耗模式,进入低功耗模式后,单片机内部模块停止工作

外设将保持不变,此时L1灯亮,表示系统正在供电并处于低功耗模式,DS1302实时时钟芯片定时24小时。

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2.当到达实时时钟的定时时间后,系统自动进入工作模式,系统将IIC上的数据保存至FLASH

中,并且通过蓝牙模块与上位机进行数据传输。此时灯L1常亮,灯L2闪烁。

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3.数据采集时间为24小时,仍使用外置DS1302实时时钟定时以降低功耗,系统首先定时一

小时,时间到后,系统将对采集到的数据的部分信息以短信的形式发送到用户手机,说明开始检测后的一小时内,室内气体检测值的状况。随后系统进入自适应采样模式直到工作结束,结束后灯L1与L2均常亮。

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4.在此期间,如需蓝牙读数,则点击软件上的“无线数据传输”按钮,系统弹出“文件保存

设置”选项卡,填写完相关信息后,点击“确认”数据开始记录,并保存在默认路径下。


5.数据导出后,可通过上位机软件读取到上位机绘图区进行后续分析。软件右侧的数据显示

区也将所有时刻及其测试值记录。



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