基于无线网络CO检测报警系统设计与研究

丁晓萍

摘要：该设计针对CO气体浓度监测的实时、低功耗要求，介绍了一种基于无线网络的CO检测报警系统；该系统利用CO气体传感器采集CO浓度数据，基于TI公司的16位微处理器MSP430F135和Silicon Labs的射频芯片Si4432，完成无线网络系统的中心节点和终端节点的设计；通过接收中心节点数据，实时监测到所有终端节点位置的CO浓度信息，对数据进行分析并及时报警，也可查询指定位置的CO浓度状况。

关键词：MSP430F135；Si4432； MQ-7；无线自组网；实时报警

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）13-3132-03

Abstract：According to the requirement that monitoring the density of CO gas should be real-time and low-power， this paper presents a kind of low-power CO detecting & alarm system based on wireless network. The system collect data on the density of CO gas by electrochemical sensor. And it， based on TI companys 16-bit microprocessor（MSP430F135） and Silicon Labs RFID chip （Si4432）， completes designing the center node and terminal node of the wireless network. PC users softwares can monitor the density of CO gas at all terminal nodes by receiving the data from the center the nodes. They analyze the data and alarm in time， and they can also inquire the density of CO gas at appointed locations.

Key words： MSP430F135； Si4432； MQ-7； self-organization of wireless network； Alarm in time

1 绪论

近几年来，CO中毒事件频有发生， CO为无色、无味、无臭的气体，随着生活质量的不断提升，汽车、摩托车等机车车辆排放出来的大量尾气，家用煤的不完全燃烧等，都形成了CO的主要来源；人体吸入CO后，经呼吸系统进入人体内，一氧化碳极易与血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，使血红蛋白丧失携氧的能力和作用。对全身的组织细胞均有毒性作用，尤其对大脑皮质的影响最为严重[1-2]。当人们意识到已发生一氧化碳中毒时，往往为时已晚，在如今信息化、智能化时代，我们怎么来实时监测、报警CO浓度，并及时反应信息，以减少类似事情的发生呢？

本设计主要是利用16位超低功耗的MSP430F135单片机和Si4432射频模块，借助MQ-7 CO气体传感器电路实现指定位置CO浓度的实时监测、与设定阈值进行比较实现CO浓度超标报警和CO浓度实时查询等功能；

2 系统工作原理

2.1 系统工作原理

CO检测报警无线网络系统在设计的过程中，通过对网络结构的了解、分析，结合系统实现的具体功能，利用CO气体传感器采集房间内CO浓度数据，通过微处理器MSP430F135和射频芯片Si4432，完成无线网络中心节点和终端节点的设计；当室内的CO浓度高于设定的安全值时，系统会将获取的实时信息通过无线网络传输给系统中心平台，上位机用户软件可通过接收到的中心节点数据，实时监测到所有终端节点位置的CO浓度信息，对数据进行分析并及时报警[3][4]。

2.2系统组成结构

系统框图如图1。

图1 系统组成框图

由图1可知，该无线传感器网络系统结构主要由三大模块组成：传感器节点（即CO检测终端节点）、中心节点和PC用户界面组成。每一个用户设定为一个节点，在监控区域布设多个节点，通过射频收发器将监测采集到的CO浓度数据信息发送给中心节点，再由中心节点对数据处理转换，将最终监测到的CO浓度数据传送到PC用户界面，实现CO浓度的实时监测和报警。

3 系统硬件设计

本系统主要采用了模块化设计，整个系统主要由微控制器电路模块、射频模块、电源电路模块、液晶显示模块、CO浓度检测模块几部分组成，各模块连接方式如图2。

图2 硬件节点连接图

3.1 微控制器电路模块

微控制器电路模块是整个系统的核心部分，由于该系统需要进行长时间实时工作，且由大量移动便携式网络节点组成，所以整个系统要求在低功耗的情况下持久稳定工作。本设计选用美国德州仪器（TI）公司推出的16位超低功耗的单片机MSP430F135芯片；该芯片功耗低、集成度高，满足本系统的功能需求。

3.2 电源电路模块

在本系统设计中，由于系统同时需要3.3V和5V电压，因此采用了低功耗电源芯片ATMEL1117，其最大工作电压是8V，输出电压为3.3V和5V；输入端串联一个LED电源指示灯和一只限流电阻，并联一只大电容用于防止电池短暂供电不稳，用作缓冲；3.3V给MSP430F135供电，而5V给LCD供电。

3.3 射频模块接口

射频通信电路模块通过4线SPI接口与外边MCU进行通信，4线为NSEL、SCLK、SDI和SDO。外部MCU通过SDI往模块中配置数据，通过SDO从模块中读出寄存器数值。外部MCU与模块的通信传输以16bits为基本单位。最高位为读写标志位（读0写1），接着7位为寄存器地址，低8位是写入或者读出的数据。

3.4 液晶显示模块电路

目前液晶显示器的种类非常多，本系统采用SMC1602A液晶，1602内含复位电路，提供各种控制命令，如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；具有微功耗、体积小、内容显示丰富、使用方便等特点，同时还带有背光。

3.5 CO浓度检测仪

本设计采用MQ-7气体传感器，MQ-7对CO的检测有着较高的灵敏度，并且输出的电信号比较大，简化了电路设计的复杂度，提高了电路设计的稳定性。其电导率随空气中CO气体浓度增加而增大；使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与CO气体浓度相对应的输出信号[5]。

4 系统软件设计

整个系统的软件设计部分主要包括了中心节点固件程序设计、终端节点固件程序设计、上位机程序设计。

4.1中心节点固件程序设计

中心节点上电复位后，首先开始设备初始化，然后进行中断监听，判断是否进入有效中断，如果系统获取的是无效中断信号则继续进行中断监听，直到监听到有效中断信号；根据监听获得的有效中断信号，先进行判断这组信号是否为无线中断信号，如果监听到的是无线中断信号应为终端控制器反馈，系统需通过串口通信接口，将该信号上报到PC机；若中断信号不为无线信号，则为串口中断信号，需将串口中断数据进行打包，将处理完的数据包通过射频模块进行无线发送。中心节点具体设计流程图如图3。

图3 中心节点工作流程图 图4 终端节点设计流程图 图5 上位机设计流程图

4.2 终端节点固件程序设计

终端节点上电复位后，首先进行设备初始化，然后进入中断监听状态，实时判断是否进入有效中断，如果系统获取的是无效中断信号则继续进行中断监听，直到监听到有效中断信号；根据监听获得的有效中断信号，先判断这组信号是否为无线中断信号，如果监听到的是无线中断信号，则根据所获得的无线中断信号，终端设备进行相应地址判断，若无线信号中的终端地址恰和终端设备自身的地址匹配，则相应的终端设备需进行CO浓度检测，通过LCD显示CO浓度检测情况，并将检测结果上报给中心节点，等待中心节点响应；相反，如果监听信号不是无线中断信号，则判断是否为按键中断，若为按键中断则终端设备进行CO浓度检测，并通过LCD显示出来；若既不是无线中断，也不是按键中断，刚直接上报给中心节点，由中心节点进行数据处理。终端节点具体设计流程图如图4。

4.3 上位机程序设计

本上位机采用.Net平台进行设计，程序具有信息存储功能、接收串口数据功能及人机接口交互功能[6]。程序的执行流程如下，程序启动后，可随时进行信息更改及保存，可并行读取COM口数据，进行相应处理。具体上位机设计流程图如图5。

5 数据及分析

打火机气体的主要成分是丁烷（C4H10），其完全燃烧产生CO2和H2O，不完全燃烧则产生大量CO；所以，可通过打火机不完全燃烧产生的气体来作为CO终端检测设备的测试气体样本。CO检测终端的上电后的初始化状态，设置CO浓度报警参数阈值为200ppm；将打火机的不完全燃烧气体对准MQ-7进行释放，可以看到检测终端检测到的CO浓度发生变化；当CO浓度低于报警阈值200ppm时，检测终端没有任何报警动作；当检测终端检测到CO浓度高于报警阈值时，CO浓度为202ppm，则报警指示灯亮起、蜂鸣器响起，同时报警信号也会通过无线网络发送给监测中心。使得安保人员能够实时远程接收到报警信息。

参考文献：

[1] 刘湖平，麦云飞，王静悦.基于LabVIEW和MSP430的CO气体无线监测系统设计[J].计算机测量与控制，2010，18（9）：1999-2004.

[2] 陈雄，杜以书，唐国新，等.无线传感器网络的研究现状及发展趋势[J].系统仿真技术，2005，1（2）：67-73.

[3] 王卫平，等.浅谈无线传感器网络的研究现状及发展趋势[J].科技视界，2012（28）：253-254.

[4] 孙雨耕，张静，孙永进，房朝晖，等.无线自组传感器网络[J].传感器学报，2004（2）：331-335.

[5] 张志伟，等.基于MSP430单片机的便携式CO检测仪的设计[J].产品设计与开发，2010，（9）：30-32.

[6] 秦龙，等.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005.

3.3 射频模块接口

射频通信电路模块通过4线SPI接口与外边MCU进行通信，4线为NSEL、SCLK、SDI和SDO。外部MCU通过SDI往模块中配置数据，通过SDO从模块中读出寄存器数值。外部MCU与模块的通信传输以16bits为基本单位。最高位为读写标志位（读0写1），接着7位为寄存器地址，低8位是写入或者读出的数据。

3.4 液晶显示模块电路

目前液晶显示器的种类非常多，本系统采用SMC1602A液晶，1602内含复位电路，提供各种控制命令，如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；具有微功耗、体积小、内容显示丰富、使用方便等特点，同时还带有背光。

3.5 CO浓度检测仪

本设计采用MQ-7气体传感器，MQ-7对CO的检测有着较高的灵敏度，并且输出的电信号比较大，简化了电路设计的复杂度，提高了电路设计的稳定性。其电导率随空气中CO气体浓度增加而增大；使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与CO气体浓度相对应的输出信号[5]。

4 系统软件设计

整个系统的软件设计部分主要包括了中心节点固件程序设计、终端节点固件程序设计、上位机程序设计。

4.1中心节点固件程序设计

中心节点上电复位后，首先开始设备初始化，然后进行中断监听，判断是否进入有效中断，如果系统获取的是无效中断信号则继续进行中断监听，直到监听到有效中断信号；根据监听获得的有效中断信号，先进行判断这组信号是否为无线中断信号，如果监听到的是无线中断信号应为终端控制器反馈，系统需通过串口通信接口，将该信号上报到PC机；若中断信号不为无线信号，则为串口中断信号，需将串口中断数据进行打包，将处理完的数据包通过射频模块进行无线发送。中心节点具体设计流程图如图3。

图3 中心节点工作流程图 图4 终端节点设计流程图 图5 上位机设计流程图

4.2 终端节点固件程序设计

终端节点上电复位后，首先进行设备初始化，然后进入中断监听状态，实时判断是否进入有效中断，如果系统获取的是无效中断信号则继续进行中断监听，直到监听到有效中断信号；根据监听获得的有效中断信号，先判断这组信号是否为无线中断信号，如果监听到的是无线中断信号，则根据所获得的无线中断信号，终端设备进行相应地址判断，若无线信号中的终端地址恰和终端设备自身的地址匹配，则相应的终端设备需进行CO浓度检测，通过LCD显示CO浓度检测情况，并将检测结果上报给中心节点，等待中心节点响应；相反，如果监听信号不是无线中断信号，则判断是否为按键中断，若为按键中断则终端设备进行CO浓度检测，并通过LCD显示出来；若既不是无线中断，也不是按键中断，刚直接上报给中心节点，由中心节点进行数据处理。终端节点具体设计流程图如图4。

4.3 上位机程序设计

本上位机采用.Net平台进行设计，程序具有信息存储功能、接收串口数据功能及人机接口交互功能[6]。程序的执行流程如下，程序启动后，可随时进行信息更改及保存，可并行读取COM口数据，进行相应处理。具体上位机设计流程图如图5。

5 数据及分析

打火机气体的主要成分是丁烷（C4H10），其完全燃烧产生CO2和H2O，不完全燃烧则产生大量CO；所以，可通过打火机不完全燃烧产生的气体来作为CO终端检测设备的测试气体样本。CO检测终端的上电后的初始化状态，设置CO浓度报警参数阈值为200ppm；将打火机的不完全燃烧气体对准MQ-7进行释放，可以看到检测终端检测到的CO浓度发生变化；当CO浓度低于报警阈值200ppm时，检测终端没有任何报警动作；当检测终端检测到CO浓度高于报警阈值时，CO浓度为202ppm，则报警指示灯亮起、蜂鸣器响起，同时报警信号也会通过无线网络发送给监测中心。使得安保人员能够实时远程接收到报警信息。

参考文献：

[1] 刘湖平，麦云飞，王静悦.基于LabVIEW和MSP430的CO气体无线监测系统设计[J].计算机测量与控制，2010，18（9）：1999-2004.

[2] 陈雄，杜以书，唐国新，等.无线传感器网络的研究现状及发展趋势[J].系统仿真技术，2005，1（2）：67-73.

[3] 王卫平，等.浅谈无线传感器网络的研究现状及发展趋势[J].科技视界，2012（28）：253-254.

[4] 孙雨耕，张静，孙永进，房朝晖，等.无线自组传感器网络[J].传感器学报，2004（2）：331-335.

[5] 张志伟，等.基于MSP430单片机的便携式CO检测仪的设计[J].产品设计与开发，2010，（9）：30-32.

[6] 秦龙，等.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005.

3.3 射频模块接口

射频通信电路模块通过4线SPI接口与外边MCU进行通信，4线为NSEL、SCLK、SDI和SDO。外部MCU通过SDI往模块中配置数据，通过SDO从模块中读出寄存器数值。外部MCU与模块的通信传输以16bits为基本单位。最高位为读写标志位（读0写1），接着7位为寄存器地址，低8位是写入或者读出的数据。

3.4 液晶显示模块电路

目前液晶显示器的种类非常多，本系统采用SMC1602A液晶，1602内含复位电路，提供各种控制命令，如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；具有微功耗、体积小、内容显示丰富、使用方便等特点，同时还带有背光。

3.5 CO浓度检测仪

本设计采用MQ-7气体传感器，MQ-7对CO的检测有着较高的灵敏度，并且输出的电信号比较大，简化了电路设计的复杂度，提高了电路设计的稳定性。其电导率随空气中CO气体浓度增加而增大；使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与CO气体浓度相对应的输出信号[5]。

4 系统软件设计

整个系统的软件设计部分主要包括了中心节点固件程序设计、终端节点固件程序设计、上位机程序设计。

4.1中心节点固件程序设计

中心节点上电复位后，首先开始设备初始化，然后进行中断监听，判断是否进入有效中断，如果系统获取的是无效中断信号则继续进行中断监听，直到监听到有效中断信号；根据监听获得的有效中断信号，先进行判断这组信号是否为无线中断信号，如果监听到的是无线中断信号应为终端控制器反馈，系统需通过串口通信接口，将该信号上报到PC机；若中断信号不为无线信号，则为串口中断信号，需将串口中断数据进行打包，将处理完的数据包通过射频模块进行无线发送。中心节点具体设计流程图如图3。

图3 中心节点工作流程图 图4 终端节点设计流程图 图5 上位机设计流程图

4.2 终端节点固件程序设计

终端节点上电复位后，首先进行设备初始化，然后进入中断监听状态，实时判断是否进入有效中断，如果系统获取的是无效中断信号则继续进行中断监听，直到监听到有效中断信号；根据监听获得的有效中断信号，先判断这组信号是否为无线中断信号，如果监听到的是无线中断信号，则根据所获得的无线中断信号，终端设备进行相应地址判断，若无线信号中的终端地址恰和终端设备自身的地址匹配，则相应的终端设备需进行CO浓度检测，通过LCD显示CO浓度检测情况，并将检测结果上报给中心节点，等待中心节点响应；相反，如果监听信号不是无线中断信号，则判断是否为按键中断，若为按键中断则终端设备进行CO浓度检测，并通过LCD显示出来；若既不是无线中断，也不是按键中断，刚直接上报给中心节点，由中心节点进行数据处理。终端节点具体设计流程图如图4。

4.3 上位机程序设计

本上位机采用.Net平台进行设计，程序具有信息存储功能、接收串口数据功能及人机接口交互功能[6]。程序的执行流程如下，程序启动后，可随时进行信息更改及保存，可并行读取COM口数据，进行相应处理。具体上位机设计流程图如图5。

5 数据及分析

打火机气体的主要成分是丁烷（C4H10），其完全燃烧产生CO2和H2O，不完全燃烧则产生大量CO；所以，可通过打火机不完全燃烧产生的气体来作为CO终端检测设备的测试气体样本。CO检测终端的上电后的初始化状态，设置CO浓度报警参数阈值为200ppm；将打火机的不完全燃烧气体对准MQ-7进行释放，可以看到检测终端检测到的CO浓度发生变化；当CO浓度低于报警阈值200ppm时，检测终端没有任何报警动作；当检测终端检测到CO浓度高于报警阈值时，CO浓度为202ppm，则报警指示灯亮起、蜂鸣器响起，同时报警信号也会通过无线网络发送给监测中心。使得安保人员能够实时远程接收到报警信息。

参考文献：

[1] 刘湖平，麦云飞，王静悦.基于LabVIEW和MSP430的CO气体无线监测系统设计[J].计算机测量与控制，2010，18（9）：1999-2004.

[2] 陈雄，杜以书，唐国新，等.无线传感器网络的研究现状及发展趋势[J].系统仿真技术，2005，1（2）：67-73.

[3] 王卫平，等.浅谈无线传感器网络的研究现状及发展趋势[J].科技视界，2012（28）：253-254.

[4] 孙雨耕，张静，孙永进，房朝晖，等.无线自组传感器网络[J].传感器学报，2004（2）：331-335.

[5] 张志伟，等.基于MSP430单片机的便携式CO检测仪的设计[J].产品设计与开发，2010，（9）：30-32.

[6] 秦龙，等.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005.