基于互联网的嵌入式环境信息监测系统的开发策

　1 总体设计
　　系统设计由气体浓度信息采集模块、单片机核心系统、网络接口模块、电源模块、显示部分组成。环境信息采集模块采集回的数据经过单片机处理后分别送本地显示和上传到网络，当采集回的信息满足报警条件时，系统报警，实现对室内多种有害气体浓度测试、远程数据传输、方便携带等功能及特点。
　　2 硬件设计
　　硬件设计包括MSP430F149小系统、温湿度采集、以太网控制器CS8900A为核心的网络通信模块的设计、LCD显示、报警电路等。其中重点在于网络通信模块的设计，用以实现与互联网通信的接口转换。
　　2.1 网络通信模块
　　由以太网控制器CS8900A、网络变压器20F-01R和RJ45接口组成，设计采用8位I/O口，映射成16个连续的8位I/O空间。CS8900A内部集成了10BASE-T收发器，可以使用一个隔离变压器与局域网相连。当CS8900A工作在3.3V时，所选用的变压器对TX和RX的分压比必须为1：2.5和1：1，否则收发数据会出现漏帧的问题，隔离变压器外围的电阻用于阻抗匹配。
　　2.2 信息采集
　　前端信息采集需完成气体浓度到电信号的转换、信号的滤波和放大处理，使单片机在最合适的电压范围内进行采样以得到最高的精度。针对四类有害气体CO、室内VOC、烟雾、可燃气体分别采用了四款传感器：MS2200、MS1100、MS5100、MC101。
　　2.3 单片机系统和电源设计
　　核心控制系统完成数据采样、处理、嵌入式WEB服务器、本地显示、键盘控制、声音灯光报警等功能。根据设计需要，选用低功耗LCD液晶显示屏FM12232F，显示气体名称、浓度、级别，采用并行驱动的方式，相关端口直接与单片机I/O相连接。键盘为了方便控制显示内容切换或锁定等，使用4×4行列键盘。电源管理模块为整个系统提供所需电压额供电。该设备共需两种电压：3.3V和5V。
　　3 系统功能测试
　　3.1 基本功能测试
　　测试时设定服务器的IP地址为222.196.33.222。作为客户端的10台IP地址设定在222.196.33.0～222.196.33.255的PC机、嵌入式服务器，经网络交换机组成一个局域网。在PC机上打开IE浏览器输入服务器的IP，便可通过网络访问WEB网页界面，实现远程监测的功能。对温、湿度的测试采用多用温、湿度计与传感器采集的温、湿度值做对比，实验结果如表1所示。
　　系统实现了对环境信息（温、湿度）的采集、本地和远程实时显示功能、网络数据传输功能、环境温度超过60摄氏度时系统报警的功能。系统服务器可供10台远程PC机同时访问，对两个点的温湿度同时监测。系统还具有对历时数据的掉电存储功能和对被监测点的环境信息的近1小时、1天、1月和1年平均数据进行统计求平均并在远程显示的功能。
　　3.2 系统扩展功能
　　扩展功能测试中，IP地址配置和组网方式与基本功能测试一致，当空气质量情况发生变化时，网页上的空气质量信息数据也会更新显示，从而实现了网页数据的动态显示；当任一种气体含量超标，系统报警，蜂鸣器发出警告声，对应气体的指示灯亮起且网页上能够明显显示报警情况，很好地完成了报警功能。
　　4 结语
　　本设计方案容易移植，通过对嵌入式设备的硬件接口改造，同时成功地将精简TCP/IP协议嵌入MSP430单片机中，嵌入式WEB服务器能够连接到Internet，实现对空气质量信息的远距离监测。经测试，系统具备气体浓度采集、分析、显示、超阈值报警、远程监测等功能。
　　作者单位
　　北京科力赛克科技有限公司 北京市 101102