基于MSP430的二氧化硫无线监控系统设计

张海兰+许超

摘 要：为了实现对空气中二氧化硫含量的实时监控，该文以MSP430G2553为主控芯片，设计了一种实时监控系统。该系统包含主控、传感器检测、声光报警以及无线传输四大模块。MSP430与CC2430无线模块具有低功耗和高集成的特性，电化学传感器3SF/F具有高灵敏度与准确度的优点，该系统仅需电池供电，非常适用于监测条件不佳的有限空间场合。此系统对二氧化硫的有效监控有助于环保部门实现节能减排的目的。

关键词：MSP430 传感器 无线传输

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（b）-0002-02

当前，环境状况日益恶劣，因其与身体健康息息相关，越来越多的人关心所处环境的质量。大量化石燃料的燃烧给人们的日常生活带来舒适便利的同时，燃烧后排放的烟气也给人们的生存环境带来严重的影响，尤其是人类赖以生存的空气。因此，大气中的相关气体参数引起强烈的关注，PM2.5数值更是出现在每日的天气预报中。众所周知，我国以化石燃料为主要能源，这使得二氧化硫（SO2）的排放量相当大。为检测空气中二氧化硫的含量，该文设计了一种以MSP430单片机为主控芯片的低功耗、高精度、可实时监测空间内二氧化硫浓度的无线监控系统[1]。

1 系统设计

二氧化硫无线监控系统框图如图1所示：通过二氧化硫电化学传感器3SF/F对现场二氧化硫浓度进行数据采集，经由信号放大电路，把采集到的信息放大为单片机MSP430G2553可识别的模拟电压信号，然后通过单片机自带的AD转换器将采集来的信息进行模数转换并传输到主控芯片的存储器中[2]。具体的浓度数值可通过LCD实时显示，且与预设的SO2浓度警报值相比较，若超出限定值，则通过单片机控制声光报警模块进行报警，再由无线通信模块远程显示与控制。

2 硬件设计

2.1 主控模块MSP430G2553

主控模块采用美国德州仪器（TI）公司最新推出的一种超低功耗混合信号处理器MSP430G2553[3]作为微控制器，其高集成度非常适合该系统。MSP430G2553单片机有如下特性：低压驱动、超低功耗；处理能力强；模拟技术性能高；片上外围资源丰富；开发环境便捷高效。

作为微控芯片的MSP430G2553，为实现系统的实时采集，选择其外部时钟，可以极大地提高系统的运行效率，从而保证测量的准确性与灵敏性。

2.2 传感器模块3SF/F

传感器选型对于系统的设计很重要，基于不同现场环境的状况与供电方式需选取不同类型的传感器。半导体传感器，一般价位较低，功耗较大，有源供电模式一般采用此类传感器。有些场合为便于更换、维护传感器节点，设计为便携式，则常选择电化学传感器。

为制造出便携、低成本、低功耗、高性能的SO2监测系统，该设计选择英国City Technology公司生产的二氧化硫传感器3SF/F。3SF/F是一种新型的定位电位电解化学气体传感器，它利用电解池原理，把空气中的某种化学气体的浓度通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，再通过检测到的电信号的大小得到相应气体的浓度。3SF/F主要用于监测烟气中的二氧化硫含量，常被使用在烟气分析仪中，也可应用于一氧化碳、氮氧化物等气体浓度的检测。该传感器具有灵敏度高、线性度好、精确度高、性能稳定等优点，可以设计出优良的二氧化碳监测系统。

2.3 无线通信模块

无线传输模块是数据传输的核心。无线模块主要负责将采集及放大的信号通过无线网络上传到监测中心（PC机）并交换数据信息[1]。在现场中，无线传输易遭受环境的干扰，进行远距离数据传输过程中丢包率较大。基于这些因素，设计时需考虑尽可能缩短传输距离以及提高数据传输可靠性[4]。该设计选择了Chipcon AS公司出产的无线模块CC2430。CC2430为可实现ZigBee无线通讯的射频器件，其优点为集成度高，通信协议简单，组网便捷，只需较少的外围设备便可满足系统的设计需求，且性能稳定、功耗极低[6]。

在该设计无线采集系统中，MSP430G2553和CC2430均设定在SPI方式下进行工作。MSP430通过SPI接口与接收端CC2430交换数据、传输命令等；SPI通信为点对点的通信。

2.4 声光报警与电源模块

该系统采用LED灯与蜂鸣器进行声光报警。当现场的二氧化硫浓度超出预设警戒值值时，MSP430G2553通过I/O端口输出高电平，三极管工作在饱和状态，发光二极管导通，同时蜂鸣器工作从而实现声光报警[5]。

3 软件设计

C语言可读性强，移植性好，通用性强，非常适合MSP430单片机的开发。该系统软件编程部分主要使用C语言完成程序设计[6]。软件程序主要包括主程序、初始化程序和无线模块程序三部分。

3.1 MSP430的初始化

系统软件设计中，为了尽量减轻负担，使有更多的时间来处理有用的运算，同时为了减小电路的功率损耗，MSP430G2553全部功能都使用中断方式实现。主程序不做过多的工作，只进行一些必要的初始化，然后开中断，之后系统进入低功耗循环模式，并等待中断，一旦中断信号出现，系统立即停止循环，从低功耗模式唤醒，进行中断响应，中断结束后再次返回低功耗循环模式。

3.2 无线模块程序

无线通信模块由现场数据发送端和PC终端接收两部分组成。无线模块主要实现的是对数据的收发功能。具体流程如右所示：传感器采集到现场数据处理后送入MSP430中，完成信号的采集、AD转换、液晶实时显示[5]，然后把数据打包通过接口送入CC2430。无线模块CC2430接收从现场传来的数据，传送到上位机（PC）上。每一个监测点的CC2430都有一个唯一对应的ID号，实现点对点的数据收发功能[6]。

4 结语

该文设计了基于MSP430G2553单片机的低功耗高性能的二氧化硫环境监控系统，可以对大气中的SO2含量进行实时监控，具有浓度超限报警等功能。在该系统中，通过无线通信模块可以实现对周围环境高效实时的智能监控。该系统具有体积小、功耗低、灵敏度高、易携带等优点，在实际应用中前景广泛。可满足工矿企业或环保部门等单位对二氧化硫的监测需求；还可应用于监测室外空气质量，为户外运动提供参考。此外，该系统可以适当调整传感器的类型进行其他有害气体的监测，获取更多的环境参数，具有良好的通用性。

参考文献

[1] 姜进，王鑫，杨慧中.基于MSP430单片机的无线环境监测系统的设计[J].江南大学學报：自然科学版，2011（1）：45-48.

[2] 褚超群，陈松，刘志杰.基于MSP430的一氧化碳报警系统设计[J].中国科技信息，2014（1）：110-111.

[3] 逄淑松，程凯，刘光发，等.MSP430G2553单片机超低功耗的研究与设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2013，13（4）：1-2.

[4] 王晓明.无线二氧化硫传感器的网络节点设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2010（9）：32-35.

[5] 冯琛皓，刘瑞安，罗晨娴.基于MSP430MCU的无线低功耗智能环境监测系统设计[J].硅谷（高科技产品研发），2014，145（1）：12-13.

[6] 邹小平，郭昌飞，张荣荣，等.基于CC2430单片机的无线传感器网络节点：CN203675336U[P].2014.