現(xiàn)代測試技術期末作業(yè),基于JN5121無線傳感器的汽車尾氣在線檢測系統(tǒng)設計

1、現(xiàn)代測試技術期末大作業(yè)題 目 基于JN5121無線傳感器的汽車 尾氣在線檢測系統(tǒng)設計 現(xiàn)代測試技術期末作業(yè)題目： 基于JN5121無線傳感器的汽車尾氣在線檢測系統(tǒng)設計 1. 引言隨著石油、化工、煤炭、汽車等工業(yè)部門的迅速發(fā)展,人們在生活或工業(yè)中排放出的氣體種類和數(shù)量也日益增多，形形色色的氣體傳感器深入各行各業(yè)。氣體傳感器，一種將氣體（一般指空氣）中含有的特定氣體（即待測氣體）以適當?shù)碾娦盘枡z測或定量的器件，人們根據(jù)這些傳感器產(chǎn)生電氣信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關的信息,從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警;還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制、報警系統(tǒng)。隨著它功能性的強大，

2、人們也越來越離不開它。1.1 氣體傳感器的現(xiàn)狀在國外，氣體傳感器發(fā)展很快，如英國Dynament生產(chǎn)的甲烷紅外傳感器，高分辨率的全量程甲烷傳感器，該傳感器在0-10%范圍分辨率為0.01%，在大于10%范圍分辨率為0.1%，且響應時間小于25秒。滿足國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局2008-11-19發(fā)布，2009-01-01實施的中華人民共和國安全生產(chǎn)行業(yè)標準AQ6211-2008煤礦非色散紅外甲烷傳感器的要求；如Wensen研發(fā)的電化學氯乙烯氣體傳感器的靈敏度可達2200nA/ppm等。國外的迅速發(fā)展，一方面是由于人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場增長受到政

3、府安全法規(guī)的推動?，F(xiàn)在，國際市場氣體傳感器和探測器的主要生產(chǎn)商集中在美、日、英、德等幾個國家。這些國家的生產(chǎn)商也壟斷了高端氣體傳感器及探測器產(chǎn)品的生產(chǎn)技術。氣體傳感器的國外主要企業(yè)有英國的Citytech，各類氣體傳感器的供應商；英國的Alphasense，電化學氣體傳感器供應商；英國的Dynament，紅外氣體傳感器的供應商；美國的RAE，電化學氣體傳感器的供應商；日本的Figaro，半導體氣體傳感器的供應商；日本的Nemoto，催化劑接觸燃燒式和電化學式氣體傳感器的供應商等。在近幾年，國內(nèi)也有一定的研究，如2007年，馮慶等人利用電子束蒸發(fā)制備了TiO2-WO3復合氧化物薄膜,在500下退

4、火2h；通過SEM和XRD觀察了該薄膜的形貌特性并進行了氣敏測試，結(jié)果表明該薄膜對酒精、丙酮和二氧化硫氣體具有較強的敏感性。2009年，王燕首次創(chuàng)新性地通過研究CuO/-Fe2O3材料的CO催化氧化活性來推斷其對CO氣體的敏感機理。解決了半導體電阻式氣敏元件的選擇性問題,采用沉積-沉淀法將P型半導體CuO成功負載于n型半導體-Fe2O3基體材料上,設計并制成新型P-N結(jié)半導體氣敏元件。2010年，婁向東等人以SnCl4·5H2O和鈦酸四丁脂為原料，采用Sol-Gel法制備SnO2-TiO2材料。運用XRD、TEM對SnO2-TiO2粉體的物相、形貌和結(jié)構進行表征，并測試其靈敏性能，實

5、驗表明，SnO2-TiO2納米粉體在3.5V加熱電壓下對100ppm乙醇的靈敏度為464.116。1.2 氣體傳感器的發(fā)展趨勢及前景目前，氣體傳感器向低功耗、多功能、集成化方向發(fā)展，一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應用整機相結(jié)合；二是增強可靠性，實現(xiàn)元件和應用電路集成化，多功能化，發(fā)展MEMS技術，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型傳感器，如美國GeneralMonitors公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準和監(jiān)視故障狀況功能，實現(xiàn)了智能化。氣體傳感器行業(yè)從2000年到2007年一直保持著良好的高增長勢頭。歐、美、日等發(fā)達國家都非常重視氣體探測產(chǎn)業(yè)的

6、發(fā)展，將其列入國家重點發(fā)展和扶持的產(chǎn)業(yè)，2008年達到8.12億美元，年增長率為11%。在國際市場上，氣體探測行業(yè)將繼續(xù)保持著良好的增長勢頭。需求量也將會從現(xiàn)在的歐美為主向其他國家過渡。氣體傳感器也從最初的研究氣敏元件的特性發(fā)展到了與微電子技術、納米技術等先進技術結(jié)合的新階段。近年來，各國研究者廣泛開展碳納米管氣體傳感器的研究工作，碳納米管具有靈敏度高、響應速度快，尺寸小、能耗低和室溫下工作等諸多特點。隨著先進科學技術的應用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有機、無機、生物和各種材料的特性及相互作用，理解各類氣體傳感器的工作原理和作用機理，正確選擇各類傳感器的敏感

7、材料，靈活運用微機械加工技術、敏感薄膜形成技術、微電子技術、光纖技術等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。此外，氣體傳感器將在充分利用微機械與微電子技術、計算機技術、信號處理技術、傳感技術、故障診斷技術、智能技術等多學科綜合技術的基礎上得到發(fā)展。研制能夠同時監(jiān)測多種氣體全自動數(shù)字式的智能氣體傳感器是該領域的重要研究方向。1.3 研究的意義近幾年來，我國汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，社會保有量急劇增加。由于汽車主要集中在城市，成為城市的大氣污染物的主要來源，因此對汽車進行尾氣檢測是保障城市空氣質(zhì)量的重要手段，檢測和控制汽車尾氣排放是國家環(huán)保部門的重要職責，汽車尾氣檢測技術受到了各級環(huán)保部門的高度重視

8、。然而，目前由于技術條件的制約，國內(nèi)環(huán)保部門通常采用年檢方式對汽車尾氣排放情況進行檢測。在這種機制下，汽車的日常運行時其尾氣造成的污染程度無從掌握，無法及時控制汽車的尾氣污染。本文給出了一種基于JN5121無線傳感器網(wǎng)絡技術的汽車尾氣在線檢測系統(tǒng)方案，此方案利用無線通信技術，使得汽車尾氣檢測做到隨時隨地抽樣檢測，實時掌握汽車的尾氣排放情況，及時制止超標車輛上路，最大程度上減少尾氣對空氣的污染。2. 系統(tǒng)總體方案基于JN5121無線傳感器網(wǎng)絡技術的汽車尾氣在線檢測系統(tǒng)包括兩大關鍵技術：(1)充分利用無線傳感器網(wǎng)絡分布性廣、可擴展性強、容錯性好、功耗小、成本低以及非接觸性等特點，(2)采用固態(tài)電化

9、學二氧化鈦(Ti02)氧敏材料傳感器作為檢測傳感器，利用其檢測實時性高的特點1，設計一種能夠在汽車不停車的情況下自動檢測其排放尾氣的在線檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)總體方案如圖1所示，在汽車尾氣排放口安裝傳感器，采集行駛中的汽車尾氣信息；基站具有一定的覆蓋范圍，在實施初期，可采用移動基站，根據(jù)城市道路的寬度，基站的覆蓋范圍可初步定在半徑為200m范圍內(nèi)，環(huán)保部門在城市交通樞紐和車流繁忙地段設置移動基站，利用這些地段車流量大、車速不高的特點，大量的接收檢測信息，抽樣檢測監(jiān)控上路車輛的尾氣排放情況；汽車尾氣在線檢測系統(tǒng)的最終實現(xiàn)目標要做到全城覆蓋，實時監(jiān)控城市所有在運行的車輛，及時發(fā)現(xiàn)超標車輛，降低汽車尾氣對城

10、市環(huán)境的污染。圖1.系統(tǒng)設計總跳方案3. 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件主要包括：1個個人局域網(wǎng)協(xié)調(diào)器(雕岍(Personal Area Network Coordinator)和N個終端設備(End Device)。協(xié)調(diào)器放置在移動基站上，終端設備安裝在汽車尾部，一般要求體積小、功耗低、適應性強、魯棒性好且具有無線通信和數(shù)據(jù)處理能力，因此系統(tǒng)采用將無線收發(fā)器和控制器集成在一起的單芯片解決方案，即采用英國Jennic公司的JN5121無線模塊及相應Zigbee軟件開發(fā)包，JN5121是業(yè)界第一款兼容于IEEE802154的低功耗、低成本無線微型控制器。該模塊內(nèi)置一款32位的RISC處理器，配置有24GH

11、z頻段的IEEE802154標準的無線收發(fā)器，64k的ROM，96k的RAM，21路GPlO。JNSl21內(nèi)置的ROM存儲集成了點對點通訊與網(wǎng)狀網(wǎng)通訊的完整協(xié)議棧2。該方案成功解決了無線模塊和數(shù)據(jù)處理模塊分開設計所帶來的功耗大、系統(tǒng)穩(wěn)定性差和體積較大等問題。3.1 終端設備設計終端設備主要用來實時采集汽車尾氣信息并通過無線收發(fā)器把信息傳送給個人局域網(wǎng)協(xié)器，每一個終端設備的硬件組成是相同的，其主要由供電模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、微控制器MCU及其核心電路模塊和無線收發(fā)模塊4個部分組成，終端設備總體結(jié)構如圖2所示。圖2.終端設備總體結(jié)構供電模塊中，采用12V的汽車電瓶電源供電，由于MCU和A/D轉(zhuǎn)

12、換芯片AD7998正常工作電平為33V，因此選用DCDC電源芯片CS51411進行電平轉(zhuǎn)換，CS51411是安森美半導體推出的一款1.5A、260kHz和520kHz帶有外部偏置或同步功能的低電壓降壓轉(zhuǎn)換器。CS51411適用的輸入電壓范圍寬，靜態(tài)(關斷)電源電流僅為10A，采用標準的8引腳小尺寸集成電路(IC)封裝，可在270kHz的開關頻率操作，CS51411具備用于并行電源操作和降噪聲的外部時鐘同步引腳，可提供高偏壓功能，從而達到最大的電壓驅(qū)動效率；數(shù)據(jù)采集與處理模塊負責采集與處理汽車尾氣，其核心是由一個吸氣泵、傳感器組和數(shù)據(jù)采集芯片AD7998組成，吸氣泵組件負責吸取汽車排氣筒的尾氣并

13、進行干燥與降溫處理，傳感器組負責把汽車尾氣轉(zhuǎn)換成0-3V的電壓信號，AD7998是具有8路12位低功率12C接口的ADC芯片，其主要負責把汽車尾氣信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息并采用12C總線傳送給JN51213。無線收發(fā)模塊負責與協(xié)調(diào)器進行無線通信，為保證通信的可靠性，這里采用JN5121的高功率模塊；JN5121是將無線收發(fā)器和控制器集成在一起的微控制器，從而保證無線模塊與數(shù)據(jù)處理模塊工作更加可靠，JN5121芯片沒有集成程序存儲器，故本系統(tǒng)采用芯片自帶SPI接口外擴程序存儲器，程序存儲器采用SGS Thomson Microelectronics公司推出的高可靠性串行閃存M25P10，該芯片集成標準

14、的4線SPI總線和最大50 MHz數(shù)據(jù)傳輸時鐘，具有1/zA深省電功能，使整體功耗達到最低水平，將M25P10直接連接至JN5121的SPI接口上，使用標準SPI時序即可讀寫片上數(shù)據(jù)，UART單元主要由Max232及其輔助電路構成，用于微控制器的編程與程序升級4。終端設備硬件連接如圖3所示。圖3.終端設備硬件連接圖3.2 個人局域網(wǎng)協(xié)調(diào)器設計個人局域網(wǎng)協(xié)調(diào)器是整個無線網(wǎng)絡的控制中心，它能夠主動掃描本身覆蓋范圍內(nèi)的所有終端設備，負責網(wǎng)絡準入、動態(tài)地址分配和終端設備所采集的汽車尾氣信息的收集等。它是整個無線網(wǎng)絡中唯一與監(jiān)測計算機系統(tǒng)通過RS232有線連接的設備。在整個監(jiān)測系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，

15、相當于河面上的一座橋：一方面接收上位機(監(jiān)測計算機)指令進行網(wǎng)絡設置5；另一方面打包終端設備所采集的汽車尾氣信息數(shù)據(jù)，發(fā)送給上位機。協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設計上與終端設備大體相同，協(xié)調(diào)器節(jié)點是用于監(jiān)測上路汽車的尾氣，自己不需要傳感器組與數(shù)據(jù)采集芯片，其它部分的硬件電路與終端設備節(jié)點是完全相同的，它們二者的區(qū)別主要在軟件上。4. 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計主要包括下位機(無線傳感器網(wǎng)絡)與上位機軟件(監(jiān)測計算機系統(tǒng))設計兩部分。無線傳感器網(wǎng)絡軟件基于IEEE802.15.4協(xié)議棧，選擇Jennic公司所提供的Codeblocks集成開發(fā)環(huán)境，這個軟件和基于cygwin的gcc編譯器進行連接完成代碼的編輯與

16、編譯工作。Code blocks是一款開源的C/C+開發(fā)工具，Jennic基于這個工具對其進行擴展形成了自己的開發(fā)平臺，Code blocks提供向?qū)沙绦蚩蚣?，再由開發(fā)人員繼續(xù)完成針對具體應用的代碼6。由于開發(fā)環(huán)境提供了完整的網(wǎng)絡協(xié)議框架，故極大地減輕了開發(fā)者在網(wǎng)絡通訊的實現(xiàn)方面的工作量，大大降低了開發(fā)難度，使得開發(fā)者能夠?qū)Ｗ⒆约旱木唧w應用開發(fā)。4.1 下位機軟件設計下位機軟件又包括終端設備與協(xié)調(diào)器軟件兩部分。終端設備軟件系統(tǒng)大致分為系統(tǒng)初始化模塊、無線網(wǎng)絡處理模塊、應用協(xié)議模塊和數(shù)據(jù)采集與處理模塊等。系統(tǒng)初始化處理模塊完成JN5121單片機串口，無線網(wǎng)絡鏈接的建立與高功率模塊的打開、數(shù)據(jù)

17、采集芯片AD7998的初始化等；無線網(wǎng)絡處理模塊用來處理協(xié)調(diào)器與終端設備間的數(shù)據(jù)傳輸與驗證；應用協(xié)議模塊負責按照汽車尾氣在線監(jiān)測應用協(xié)議打包數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集與處理模塊用來采集與處理傳感器組所采集的汽車尾氣數(shù)據(jù)信息。主程序流程如圖4所示。圖4.終端設備節(jié)點主程序流程圖協(xié)調(diào)器軟件與終端設備軟件總體框架是一樣的，其主要區(qū)別是用RS232通訊鏈路處理模塊代替終端設備的數(shù)據(jù)采集與處理模塊。RS232通訊鏈路處理模塊負責處理監(jiān)測計算機與協(xié)調(diào)器之間數(shù)據(jù)傳送，協(xié)調(diào)器將其收到終端設備的汽車尾氣數(shù)據(jù)信息打包后發(fā)送給監(jiān)測計算機系統(tǒng)，并以中斷的形式接收監(jiān)測計算機系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀，并對其校驗、解析及處理。4.2 上位

18、機軟件設計上位機軟件即監(jiān)測計算機軟件是無線汽車尾氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要組成部分，是對直接面向監(jiān)測人員的軟件終端，提供對上路汽車尾氣數(shù)據(jù)的實時反映、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計歸納、網(wǎng)絡匯總、報表打印和控制終端設備等操作功能。監(jiān)測計算機軟件基于微軟Net平臺，使用Visual StudioC#2005開發(fā)，采用分層式架構方式，分層式架構體現(xiàn)了職責分離的原則，將職責相關的模塊組織在一起，并根據(jù)功能的不同分離成向下依賴的層次關系。其優(yōu)點為分散關注、松散耦合、邏輯復用及標準定義。其按層次劃分，分為數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務邏輯層和界面表示層3層結(jié)構。數(shù)據(jù)訪問層，又稱之為數(shù)據(jù)持久層，主要向上層提供包括數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡設備和配置文件

19、等的訪問接口。監(jiān)測計算機軟件業(yè)務流程處理按照數(shù)據(jù)流動的方向可分為上行包和下行包兩種業(yè)務流程7。上行包指的是網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送過來的應用協(xié)議包。上行包到達監(jiān)控計算機以太網(wǎng)口，Net會觸發(fā)中斷事件，監(jiān)測軟件會捕獲該中斷事件，并觸發(fā)相應的中斷處理函數(shù)，在該函數(shù)中進行上行包的接收，若接收成功，會直接回復應答包給協(xié)調(diào)器并由其轉(zhuǎn)發(fā)給無線網(wǎng)絡相應終端設備。接收上行包成功后，監(jiān)測軟件會檢查該上行包的完整性，若不完整則等待下一包協(xié)議包的數(shù)據(jù)的到來，并進行組包，直至接收到完整的協(xié)議包8；若接收到的是完整的協(xié)議包，則根據(jù)包頭的源應用地址號添加到其對應的終端設備數(shù)據(jù)緩沖隊列中，同時以事件形式通知對應終端設備的處理線程，告訴

20、它有新的協(xié)議包到來，該處理線程將會到對應數(shù)據(jù)緩沖隊列中提取該協(xié)議包，對其進行解析及處理，并會將處理結(jié)果通過業(yè)務邏輯層的界面單元發(fā)送給表示層表示層則根據(jù)這螳就結(jié)果數(shù)據(jù)及類型進行界面顯示更新。如顯示網(wǎng)絡拓撲和構造監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線等。下行包指的是監(jiān)測計算機通過協(xié)調(diào)器發(fā)送給終端設備的應用協(xié)議包。正常情況下，監(jiān)測人員操作界面，例如對某一無線終端設備發(fā)送控制命令，則界面會調(diào)用業(yè)務邏輯層的相應接口生成對應的協(xié)議包，并將其放入發(fā)送緩沖隊列中。由于下行包和發(fā)送頻率比較低，因此監(jiān)測計算機軟件采取一個發(fā)送線程來處理下行包的處理9。前面提到的下行協(xié)議包插入到發(fā)送緩沖隊列中的同時，系統(tǒng)會以事件的形式通知發(fā)送線程，告訴它有新的協(xié)議包需要發(fā)送，該發(fā)送線程將會提取協(xié)議包，并發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再轉(zhuǎn)發(fā)給相應的終端設備，以實現(xiàn)下行控制的目的。5. 參考文獻1黃布毅，李冬富，何超前等基于無線傳感器網(wǎng)絡的機動車尾氣在線監(jiān)測系統(tǒng)J儀表技術與傳感器，2007，