市面上的第三方檢測機構一般采用化學試劑檢測法，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，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)測才能得知室內空氣狀況，而在此期間用于仍居住于該室內。三是，國標規(guī)定檢測前應先保持檢測環(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環(huán)境評估測試儀。該測試儀采用藍牙作為數據傳輸方式，使測試人員不需進入測試環(huán)境就能獲得實時測試結果；另外，該設備兼具無線開關功能，和實時時鐘定時功能，避免了工作人員進入室內布置儀器對室內環(huán)境產生的影響，室內氣體始終保持平衡，使測量結果更準確可信。

本設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，片內資源豐富，可以滿足作為本系統(tǒng)的控制中樞的設計要求；通訊模塊選擇藍牙模塊和GSM通訊模塊，分別實現將實時檢測結果發(fā)送到上位機和將檢測部分結果以短信形式發(fā)送到預設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據傳輸，隨后由通訊板經由USB接口將數據發(fā)送到與之相連的上位機，由于本系統(tǒng)設計的數據傳輸方式為無線傳輸，故將傳感器部分直接通過IIC協(xié)議相關的SDA和SCL信號線傳輸到傳輸至主控芯片進行后續(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，分別實現自適應采樣策略的控制和存儲采集數據的功能。

圖2 檢測系統(tǒng)設計結構圖

本系統(tǒng)的控制模塊選用的單片機為MSP430F149，該單片機內部有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數據保持方式時耗電僅0.1uA，在活動模式時耗電250uA/MIPS(MIPS：每秒百萬條指令數)，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?？紤]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。

圖3 MSP430F149單片機

本系統(tǒng)選用DS1302實時時鐘芯片，由于國家空氣質量檢測規(guī)程要求，檢測環(huán)境應保持封閉靜置24小時以上才可進行后續(xù)檢測?？紤]到規(guī)定時間到后仍需工作人員手動遙控開啟設備的操作的設計仍然使用不便，本設計選擇使用定時器實現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。由于使用單片機內部的定時器功耗較大，且單片機進入低功耗模式后內部定時器將停止工作，這與本系統(tǒng)設想的低功耗設計的思路相背離。故此處選用外置實時時鐘芯片實現定時功能，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通訊模塊實現的功能是實現遠程通訊，將系統(tǒng)測試結果以短信方式發(fā)送到用戶手機。由于室內環(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，數據基本可以代表室內空間的大體情況，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)測室內氣體情況，用戶也不必時刻進行監(jiān)視。此設計的目的是考慮到部分用戶有工作需要，故將系統(tǒng)采集一小時內數據的統(tǒng)計信息以短信形式發(fā)送到用戶的手機，使用戶能對室內信息有大致了解；其次，操作人員在布置好設備后，不必在現場等待，可在收到帶有室內環(huán)境信息的短信后再決定是否需要到現場進行實時數據的讀取，大大提高了工作效率。

圖5 GSM通訊模塊實物圖

藍牙模塊設計，無線傳輸是本次設計的一個難點，現考慮射頻無線通訊模塊與藍牙通訊模塊完成該設想。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備會對該設備產生干擾，且需要外搭天線進行數據發(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)和數據傳輸模塊，考慮到成本與系統(tǒng)方便性，此方法在本設計中不方便實現，故本設計不選用此方法；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。且現階段藍牙傳輸芯片已應用于諸多電子產品中，極易實現基于上位機的設計，故本系統(tǒng)采用藍牙模塊作為無線通訊模塊。

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，經過估算，其功耗可低至xx；實時時鐘設置的時間結束后，系統(tǒng)經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，收到應答指令后，傳感器開始經由SDA和SCL信號線向芯片發(fā)送數據；主控芯片收到數據后將數據寫入其片內的FLASH模塊中；同時經芯片上的UART串口通訊協(xié)議與藍牙發(fā)送端相連，藍牙模塊將數據通過藍牙通訊的方式傳輸到上位機中，上位機軟件直接調用上位機藍牙端收到數據進行后續(xù)處理。系統(tǒng)運行一小時后將會對之前一小時的數據進行簡單分析，得出室內環(huán)境是否合格的結論，是否合格都會將結論信息發(fā)送到系統(tǒng)預設的手機號碼上，告知用戶室內環(huán)境的質量情況。

圖7 GSM通訊模塊實現短信發(fā)送功能

數據存儲與藍牙通訊模式的設計：考慮到實際的應用要求，本團隊選擇采取存儲數據和藍牙實時通訊同時進行的處理方法，系統(tǒng)的設計初衷是室內空間封閉過程和采集測試過程無需操作人員現場操作，系統(tǒng)自動將檢測到的數據存儲在FLASH中，檢測結束后讀取主控芯片FLASH中的內容，完成存儲測試的功能。由于此類模式主要獲得室內空氣質量的實時變化情況，但與原有化學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的實時信息，考慮到部分用戶想得知實時的檢測結果的需求，設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就能得知室內實時的空氣質量狀況，結合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，做到對房間內信息的了解。

圖8 系統(tǒng)工作流程圖

FLASH閃存則是一種非易失性（Non-Volatile）內存，在沒有電流供應的條件下也能夠長久地保持數據，其存儲特性相當于硬盤，這項特性正是閃存得以成為各類便攜型數字設備的存儲介質的基礎。與各類DDR、SDRAM或者RDRAM不同的是，他們都屬于揮發(fā)性內存，只要停止電流供應內存中的數據便無法保持，因此每次電腦開機都需要把數據重新載入內存。FLASH則不同，當數據信息寫入到FLASH中后，除非FLASH接到專用命令對寫入的數據進行擦除，否則數據將一直保存在FLASH模塊的相應地址中，試驗后僅需部分執(zhí)行讀取操作就可以將數據導出，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據的丟失，經過實驗，采樣頻率在65khz以上時，數據將發(fā)生丟失。且FLASH的擦除寫入次數有限制，大量頻繁的擦除寫入容易引起存儲器壞塊。

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

基于上述實驗條件，測試空間內的氣體屬于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有特殊情況將不會發(fā)生突變，若室內氣體在起初一小時內就已經檢測合格，則在之后的實驗中無需按照原先的頻率存取數據，可適當降低采樣頻率以達到降低功耗的功能；若檢測一小時內發(fā)現室內環(huán)境的污染物濃度超出國家標準的情況，則系統(tǒng)依舊按照預先設計的采樣頻率繼續(xù)采樣，獲得真實的污染情況變化圖；考慮到個別室內養(yǎng)殖植物習性不同可能產生室內污染，故在降低采樣頻率時，若檢測到了室內環(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，待空氣質量滿足國家標準后，系統(tǒng)再次調低采樣頻率，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采樣值需要進行變化的方法稱為自適應采樣。

圖9 自適應采樣流程圖

低功耗設計，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提供穩(wěn)定的電壓，在不工作的時候應關閉供電電源。為了保障系統(tǒng)供電并且降低組件閑置時的能耗，選擇適當的電源管理可以實現系統(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，在Flash擦除或者編程時要求的最低供電電壓為2.7V，其詳細的關系如下圖所示。在頻率滿足處理速度要求下，應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電源，依此來降低功耗。

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系，只有將兩者處理恰當的情況下，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，都能實現超低功耗。振蕩器和系統(tǒng)時鐘發(fā)生器的主要設計目標是廉價和低功耗。MSP430F4XX系列單片機時鐘模塊應用了增強型鎖相環(huán)技術FLL+，硬件自動調整DCO(數字控制晶體振蕩器)頻率，支持時鐘配置的超低功耗應用。

3.軟件說明：

為配合硬件電路采集數據的處理，利用Labview平臺設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，以框圖的形式產生的程序，使用靈活，直觀高效?，F對配套使用的上位機軟件進行說明。

該軟件實現的功能是對采集數據進行分析處理，其有兩種主要功能，一是將現有數據實時處理結果顯示；二是將預先實驗保存到計算機上的數據在繪圖區(qū)進行復現以進行后續(xù)分析。

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)與數值顯示區(qū)。命令區(qū)由無線數據傳輸、打開本地數據和退出系統(tǒng)三項指令組成。

圖12-（a）命令區(qū)

圖12-（b）繪圖區(qū)

圖12-（c）數據顯示區(qū)

無線傳輸數據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閉，點擊“無線傳輸數據”后，軟件將開始采集指令經藍牙模塊發(fā)至主控芯片，主控芯片控制傳感器開始采集，測試數據將通過藍牙傳輸的方式直接顯示到上位機界面，使得用戶得知實時的室內空氣質量效果，同時，軟件彈出相應的操作框，設定測試的相關信息和保存路徑；

圖13-（a） 無線數據傳輸按鍵圖

圖13-（b） 路徑選擇與相關信息錄入

打開本地數據按鍵的功能是讀取已經保存在本地機器上的文件，點擊“打開本地數據”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據后，數據由計算機硬盤讀入內存,同時在繪圖區(qū)顯示數據文件的曲線，并在數據顯示區(qū)顯示該段檢測值的統(tǒng)計信息和相關的時間信息。

圖14-（a） 打開本地數據按鍵圖

圖14-（b） 數據選擇界面

圖14-（c） 數據讀取至繪圖區(qū)

數據顯示區(qū)可顯示特定時間段內的的數據統(tǒng)計信息，即該時間區(qū)域中值，以及出現該值所對應的時間，方便用戶對數據有更詳細的了解。

圖15 數值顯示區(qū)

點擊退出系統(tǒng)按鈕，軟件將關閉。

圖16 退出系統(tǒng)按鈕

系統(tǒng)工作流程

1.檢測系統(tǒng)上電后，首先進入低功耗模式，進入低功耗模式后，單片機內部模塊停止工作

外設將保持不變，此時L1燈亮，表示系統(tǒng)正在供電并處于低功耗模式，DS1302實時時鐘芯片定時24小時。

2.當到達實時時鐘的定時時間后，系統(tǒng)自動進入工作模式，系統(tǒng)將IIC上的數據保存至FLASH

中，并且通過藍牙模塊與上位機進行數據傳輸。此時燈L1常亮，燈L2閃爍。

3.數據采集時間為24小時，仍使用外置DS1302實時時鐘定時以降低功耗，系統(tǒng)首先定時一

小時，時間到后，系統(tǒng)將對采集到的數據的部分信息以短信的形式發(fā)送到用戶手機，說明開始檢測后的一小時內，室內氣體檢測值的狀況。隨后系統(tǒng)進入自適應采樣模式直到工作結束，結束后燈L1與L2均常亮。

4.在此期間，如需藍牙讀數，則點擊軟件上的“無線數據傳輸”按鈕，系統(tǒng)彈出“文件保存

設置”選項卡，填寫完相關信息后，點擊“確認”數據開始記錄，并保存在默認路徑下。

5.數據導出后，可通過上位機軟件讀取到上位機繪圖區(qū)進行后續(xù)分析。軟件右側的數據顯示

區(qū)也將所有時刻及其測試值記錄。