曾憲陽，楊紅莉，郁漢琪，褚南峰

（1.南京工程學(xué)院工業(yè)中心，南京211167；2.南京工程學(xué)院數(shù)理部，南京211167；3.南京大學(xué)數(shù)學(xué)系，南京210093）

間歇式低功耗多網(wǎng)點甲醛含量無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

曾憲陽1，3*，楊紅莉2，郁漢琪1，褚南峰1

（1.南京工程學(xué)院工業(yè)中心，南京211167；2.南京工程學(xué)院數(shù)理部，南京211167；3.南京大學(xué)數(shù)學(xué)系，南京210093）

針對甲醛監(jiān)測儀監(jiān)測區(qū)域點固定、功耗高、性能單一等問題，設(shè)計了以MSP430單片機(jī)作為控制核心，多子機(jī)網(wǎng)點輔助監(jiān)測，NRF24L01無線通信的甲醛監(jiān)測裝置。提出間歇式數(shù)據(jù)采集方案以降低系統(tǒng)功耗，采用均值濾波器及擴(kuò)展卡爾曼濾波器相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。最終測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能對甲醛高含量區(qū)域進(jìn)行重點監(jiān)測，其平均功耗僅為13.56 mW，且檢測誤差小于3%，主要適用于民用檢測場合。

電子技術(shù)；甲醛監(jiān)測儀；MSP430單片機(jī)；低功耗；多網(wǎng)點；間歇式

隨著社會進(jìn)步，越來越多的人對環(huán)境質(zhì)量有了新的要求。文獻(xiàn)［1-2］提到新裝修的房間往往含有多種有害物質(zhì)，其中最主要的是有毒氣體甲醛，直接影響人們的身體健康。文獻(xiàn)［3-5］描述的甲醛檢測系統(tǒng)多為單點測試，體積大、功耗高、檢測單一、價格昂貴，且不能自動對甲醛含量高的區(qū)域進(jìn)行重點實時監(jiān)測，這給用戶生活帶來不便。因此設(shè)計了一種間歇式低功耗多網(wǎng)點甲醛含量無線監(jiān)控報警系統(tǒng)，給用戶生活帶來方便。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

系統(tǒng)整體方案框圖如圖1所示，設(shè)計多個子機(jī)系統(tǒng)分別測量房間對應(yīng)區(qū)域甲醛含量數(shù)據(jù)，經(jīng)卡爾曼濾波、數(shù)據(jù)處理后得到實際甲醛含量百分比，通過無線通信傳輸給主機(jī)，主機(jī)及時分析各房間的甲醛含量值，對于甲醛含量長時間未成減少趨勢的房間區(qū)域，將自動通知子機(jī)調(diào)整采樣時間來進(jìn)行重點監(jiān)測。當(dāng)甲醛含量連續(xù)多天超過設(shè)定上限值時，主機(jī)還將發(fā)出報警提示用戶甲醛超標(biāo)。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 主機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計

系統(tǒng)主機(jī)電路原理圖如圖2所示，選用微功耗單片機(jī)MSP430F149作為主控芯片［6］；傳感器采用高精度模擬輸出的甲醛傳感器AQM201，其輸出模擬電壓范圍為0～5 V，設(shè)計了R4，R5電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，使輸出電壓與單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換量程匹配。輸出信號接至單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換口P6.0；無線通信采用NRF24L01模塊［7］，電路如圖2中N1所示，第8腳為中斷請求輸出端，接至單片機(jī)的外部中斷P1.4口；顯示部分采用LCD12864液晶顯示器，采用串行接口以簡化電路，如圖2中U3所示；由4片EEPROM芯片24C512構(gòu)成數(shù)據(jù)存儲裝置，用來定期保存各子機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，便于后期分析，電路如圖2中U4、U6、U7、U8所示；按鍵K0～K3接至單片機(jī)外部中斷引腳P1.0～P1.3，用來設(shè)置采樣時間、采樣間隔等信息。

圖2 主機(jī)系統(tǒng)電路原理圖

子機(jī)系統(tǒng)電路只包括單片機(jī)、傳感器、無線通信模塊，與主機(jī)系統(tǒng)電路類似，在此不再贅述。

2.2 系統(tǒng)低功耗設(shè)計

為降低系統(tǒng)功耗，在各功能模塊電源端增加了三極管開關(guān)控制，由于系統(tǒng)每隔數(shù)分鐘采集一次數(shù)據(jù)，空閑時間應(yīng)將單片機(jī)設(shè)為休眠狀態(tài)，各功能模塊在非工作時間也應(yīng)關(guān)閉電源。圖2中三極管Q2～Q5分別用作液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、甲醛傳感器模塊、無線通信模塊的電源開關(guān)。三極管基極由單片機(jī)IO口控制，當(dāng)I/O口為低電平時三極管飽和導(dǎo)通，此時電源接通模塊開始工作，反之電源斷開模塊停止工作，盡可能將系統(tǒng)功耗設(shè)計到最低狀態(tài)。

2.3 電源模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)中甲醛傳感器工作電壓為5 V，單片機(jī)及無線通信模塊工作電壓均為3.3 V，液晶LCD12864工作電壓為3.3 V～5.0 V，系統(tǒng)采用4節(jié)干電池供電，經(jīng)穩(wěn)壓芯片AMS1117_5V輸出5 V電壓，再經(jīng)AMS1117_3V3輸出3.3 V電壓給對應(yīng)電路供電，電路如圖3所示。

圖3 電源模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計

主機(jī)接收到各子機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，經(jīng)判別將數(shù)據(jù)分別存放在24C512芯片內(nèi)，并在顯示屏上進(jìn)行對應(yīng)子機(jī)數(shù)據(jù)曲線顯示，如果數(shù)據(jù)超過報警極限值還將發(fā)出報警信號。此外，主機(jī)還需采集本機(jī)甲醛傳感器數(shù)據(jù)。因此主機(jī)要完成的任務(wù)有：本機(jī)數(shù)據(jù)采集、子機(jī)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、傳感器數(shù)據(jù)采集、按鍵掃描、發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)、報警等。根據(jù)任務(wù)的緊急性將數(shù)據(jù)接收、按鍵掃描任務(wù)均設(shè)置為外部中斷模式，并將數(shù)據(jù)接收設(shè)置為高優(yōu)先級中斷。數(shù)據(jù)顯示、傳感器數(shù)據(jù)采集以及報警任務(wù)放在主程序中循環(huán)調(diào)用，因此主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主機(jī)系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 子機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計

在子機(jī)系統(tǒng)中，傳感器每隔一定時間采集一次數(shù)據(jù)，經(jīng)卡爾曼濾波后，通過無線通信模塊發(fā)送給主機(jī)，同時子機(jī)實時準(zhǔn)備接收主機(jī)發(fā)送過來的設(shè)置命令。因此子機(jī)系統(tǒng)任務(wù)包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等幾個部分。由于無線接收任務(wù)屬于緊急任務(wù)，應(yīng)由外部中斷服務(wù)程序來完成，其流程圖在此不再贅述。

3.3 間歇式數(shù)據(jù)采集方案及抗干擾措施

系統(tǒng)實際測量的數(shù)據(jù)存在誤差，其誤差來源主要有兩方面，一方面是儀器本身存在測量誤差；另一方面是環(huán)境帶來的干擾信號。系統(tǒng)將從兩方面濾去這些誤差干擾信號。

傳感器采集的數(shù)據(jù)首先采用平均值濾波濾去誤差數(shù)據(jù)。由于房間空氣流動使得某點甲醛含量存在不穩(wěn)定性，實際數(shù)據(jù)采集過程中，在每個時間點上采集十次數(shù)據(jù)，去掉兩個極值后取平均，即得該時間點甲醛數(shù)據(jù)。其濾波過程如圖5所示。系統(tǒng)每隔10 min采集一次數(shù)據(jù)，其它時間處于微功耗休眠狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集具有間歇性，這樣設(shè)計的目的可以最大限度的降低系統(tǒng)功耗。

平均值濾波后的數(shù)據(jù)再經(jīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波器［8-11］進(jìn)行二次濾波?？柭鼮V波器是一個最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法，效率最高，它適用于線性、離散和有限維系統(tǒng)，包括機(jī)器人導(dǎo)航，控制，傳感器數(shù)據(jù)融合以及軍事雷達(dá)系統(tǒng)等。由于甲醛在室內(nèi)空氣中的含量一般成連續(xù)變化趨勢，因此符合卡爾曼濾波器數(shù)據(jù)要求。

圖6為卡爾曼濾波前后房間甲醛含量隨時間變化曲線，可以看出，濾波前數(shù)據(jù)波動變化較大，存在隨機(jī)干擾信號，濾波后數(shù)據(jù)顯得平滑，能體現(xiàn)出甲醛含量的穩(wěn)態(tài)變化趨勢。房間在初期甲醛含量超過國家標(biāo)準(zhǔn)0.08 mg/m3［12-13］，長時間開窗空氣流動后甲醛含量呈遞減趨勢，35 d以后房間甲醛含量已降低到0.06 mg/m3并有繼續(xù)下降趨勢，系統(tǒng)可對房間甲醛含量繼續(xù)檢測。

圖6 卡爾曼濾波前后房間甲醛含量隨時間變化曲線

3.4 系統(tǒng)主要程序

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)精度測試

系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試完畢后在新裝修房屋進(jìn)行了測試，真值采用D3F型高精度甲醛檢測儀測得，測量時間為12 h。測量數(shù)據(jù)如圖7所示。從表格可以看出所設(shè)計的甲醛檢測儀相對D3F型高精度甲醛檢測儀相對誤差小于3%。誤差的主要來源主要有兩點，空氣中各區(qū)域甲醛濃度不均帶來測量誤差，另外測量儀器本身存在約1%～2%的測量誤差。

圖7 甲醛濃度測量值與真實值對比

4.2 間歇式工作方式及多子機(jī)網(wǎng)點測試

采用VICTOR 8245臺式數(shù)字多用表對系統(tǒng)瞬時功率進(jìn)行測試，并在上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，形成瞬時功率時間曲線圖如圖8所示。主機(jī)功率主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)接收與顯示。子機(jī)功率主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)發(fā)送等。從圖8可以看出，系統(tǒng)瞬時功率在時間上具有間歇性，系統(tǒng)大部分時間處于微功耗狀態(tài)，所以系統(tǒng)平均功率極低。圖8主要展示了主機(jī)與4個子機(jī)網(wǎng)點進(jìn)行通信時的情形，當(dāng)子機(jī)網(wǎng)點增多時，主機(jī)接收數(shù)據(jù)頻繁功率將會稍有增大，但系統(tǒng)整體功耗仍然很低。

圖8 主機(jī)、子機(jī)系統(tǒng)瞬時功率曲線圖

4.3 系統(tǒng)低功耗測試

根據(jù)圖8得到的測量數(shù)據(jù)，計算得出子機(jī)系統(tǒng)最小功率為0.03 mW，主機(jī)系統(tǒng)最小功率為0.04 mW。當(dāng)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時各功能模塊電源接通，此時系統(tǒng)功耗最大，經(jīng)測量得出子機(jī)最大功率為95.35 mW，主機(jī)在開液晶背光的情況下最大功率為135.21 mW。由于數(shù)據(jù)采集與處理在幾十個毫秒內(nèi)即可完成，且初始化時間不超過2 s，設(shè)每十分鐘采集一次數(shù)據(jù)，則在十分鐘內(nèi)只有不超過0.5 min時間功率達(dá)最大值，其它時間功率均為最小值，因此子機(jī)系統(tǒng)平均功率約為：（95.35×0.5+0.03×9.5）/10= 4.80 mW，主機(jī)開背光時平均功率約為：（135.21×1+ 0.04×9）/10=13.56 mW，若采用5號2 000 mA干電池4節(jié)供電，則子機(jī)系統(tǒng)連續(xù)工作時間可達(dá)5個月左右，主機(jī)系統(tǒng)可連續(xù)工作4個月左右。圖9為系統(tǒng)實物圖及實時監(jiān)測曲線顯示。

圖9 系統(tǒng)主機(jī)、子機(jī)實物圖

5 結(jié)論

系統(tǒng)實現(xiàn)了對室內(nèi)甲醛含量間歇式監(jiān)控與報警監(jiān)測，在數(shù)據(jù)采集可靠性、數(shù)據(jù)噪聲濾波方面給出了一定的分析及解決方法，采用了均值濾波器及擴(kuò)展卡爾曼濾波器對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，其檢測精度高，相對誤差小于3%。系統(tǒng)功耗極低，若采用4節(jié)干電池供電，子機(jī)系統(tǒng)連續(xù)工作時間可達(dá)5個月以上，主機(jī)系統(tǒng)可連續(xù)工作4個月以上。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于室內(nèi)甲醛氣體含量監(jiān)測，也可用于電廠、化工、地下管道等施工環(huán)境監(jiān)測，防止甲醛中毒事故發(fā)生。

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曾憲陽（1979-），男，漢族，湖北隨州人，南京大學(xué)博士研究生，南京工程學(xué)院教師，主要研究方向為電子與通信，控制理論與控制工程等，zxy@njit.edu.cn；

楊紅莉（1980-），通信作者，女，漢族，江蘇靖江人，南京大學(xué)博士后，南京工程學(xué)院講師，主要研究方向為算法分析與設(shè)計，系統(tǒng)建模與仿真等，yanghongli1016@ 163.com。

Intermittent Low-Power Outlets Formaldehyde Content More Wireless Monitoring System Design*

ZENG Xianyang1，3*，YANG Hongli2，YU Hanqi1，CHU Nanfeng1
（1.Industry Center，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China；2.Department of Mathematics and Physics，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China；3.Department of Mathematics，Nanjing University，Nanjing 210093，China）

In view of the shortage and limitation of traditional formaldehyde monitor，such as fixed monitoring area，high power consumption and single performance，MSP430 microcontroller is used as control core and a NRF24L01 wireless communication device supported by multi machine network monitor is designed.The intermittent data collection program mentioned in this paper can reduce the power consumption of the system.The data filter algo?rithm is realized by combining the two different ways of the mean filter and the extended Kalman filter in order to guarantee the accuracy of the data.The test results show that this system can make key monitoring to high-density formaldehyde region（with average power consumption just 13.56 mW and detection error less than 3%）and that this system can be mainly applied for the civil detection.

electronic technology；formaldehyde monitor；MSP430 MCU；low power consumption；multiple outlets；intermittent

TP216+.1

A

1005-9490（2016）06-1467-05

7230L

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.036

項目來源：南京工程學(xué)院青年基金重點項目（QKJA201404）；南京工程學(xué)院2014年校級教學(xué)改革項目（JG201440）；南京工程學(xué)院創(chuàng)新基金重大項目（CKJA201410）

2016-04-16 修改日期：2016-06-08