一种分布式无线臭氧检测系统的制作方法

本发明涉及臭氧检测系统技术领域，尤其涉及一种分布式无线臭氧检测系统。

背景技术：

日常生活领域是臭氧技术最广泛应用的领域，其相关应用产品也将成为所有臭氧技术应用产品中市场最大的产品，其中低浓度的臭氧可以用于食品保鲜、除污、除味、消毒等，但是当臭氧浓度达到0.1ppm，超标的臭氧会强烈刺激人的呼吸道，造成人的神经中毒，对人体皮肤中的维生素e具有破坏作用，因此臭氧危害如同有机废气所造成的危害一样必须引起人们的高度重视。

传统的臭氧环境质量检测系统中主机和从机采用有线的方式进行连接，有线通信的优点是数据传输可靠性较高，但需要铺设较多明线，且受区域限制，难以铺设明线，且现在市场上大多都是单一的气体检测系统，为手持的单一形式，无法大面积采集数据，更没有数据交换运算能力。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，如：现有的臭氧检测系统中的主机与从机之间为有线连接，且数据的采集有限，而提出的一种分布式无线臭氧检测系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种分布式无线臭氧检测系统，包括主机和多个从机，所述主机的输出端与从机连接，所述主机输出端连接有人机交互模块，所述人机交互模式的输出端与主机的输入端连接，所述人机交互模块与主机之间设置有液晶显示模块，所述主机的输出端还连接有报警模块、手机终端和显示模块，所述手机终端的输出端通过蓝牙通讯与主机的输入端连接，所述主机的输出端通过串口通讯与显示模块的输入端连接，所述显示模块的输出端与主机连接的输入端连接，所述从机的输出端连接有无线通讯，所述无线通讯与主机的输入端连接，所述从机连接有气体传感器模块，所述从机的输入端与气体传感器模块的输出端连接，所述主机和从机内均安装有单片机。

优选的，所述主机包括信号处理模块和微处理器，所述从机包括信号采集模块和微处理器，所述主机内安装有主机软件，所述主机软件包含数据接收，数据处理，lcd数据显示，串口输出数据到pc端，蓝牙传输数据到手机和超出警戒线报警。

优选的，所述无线通讯为nrf24l01模块，所述单片机的rxd和txd引脚与nrf24l01模块的d0和d1引脚直接相连，所述nrf24l01模块的控制引脚与单片机的控制引脚相连，且其中cs接电源线，即接高电平cs＝1，nrf24l01模块选择工作频道2即在434.33mhz频段进行数传。

优选的，所述液晶显示模块采用2.8寸tft液晶模块，液晶显示模块的电路包括fpc接口电路、触摸控制电路、io扩展电路、电源电路、tft控制接口电路、sd接口电路。

优选的，所述单机片连接有按键功能模块。

优选的，所述报警模块连接有语音模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用主从式系统，从机分散采集，主机收集数据并集中处理，即从机进行水分数据采集，主机则收集各个数据，集中进行环境数据的处理、监测、显示等，一旦被监测点的环境质量数据超过了预设范围，主机进行报警。

主从机之间采用无线通信方式进行数据传输，针对不同地域，不同的应用环境还可以采用不同的质量检测系统，无线多点土壤水分监测系统采用无线通讯，这样就避免了有线通信的投资过大，适用受限，扩展性差等弊端，节约了电缆和布线施工成本。

附图说明

图1为本发明提出的一种分布式无线臭氧检测系统的系统框图；

图2为本发明提出的一种分布式无线臭氧检测系统的主机电路图；

图3为本发明提出的一种分布式无线臭氧检测系统的从机电路图。

图中：1主机、2报警模块、3人机交互模块、4手机终端、5显示模块、6无线通讯、7从机、8气体传感器模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1-3，一种分布式无线臭氧检测系统，包括主机1和多个从机7，主机1的输出端与从机7连接，主机1输出端连接有人机交互模块3，人机交互模式的输出端与主机1的输入端连接，人机交互模块3与主机1之间设置有液晶显示模块5，主机1的输出端还连接有报警模块2、手机终端4和显示模块5，手机终端4的输出端通过蓝牙通讯与主机1的输入端连接，主机1的输出端通过串口通讯与显示模块5的输入端连接，显示模块5的输出端与主机1连接的输入端连接，从机7的输出端连接有无线通讯6，无线通讯6与主机1的输入端连接，从机7连接有气体传感器模块8，从机7的输入端与气体传感器模块8的输出端连接，主机1和从机7内均安装有单片机。

本系统中的气体传感器模块8采用o3/c-200臭氧传感器可以测量环境中的臭氧的百分比，受测量环境其他无关成分影响小，通过模块电路之后其信号输出直接和单片机的pa0引脚直接相连，通过stm32单片机内部ad进行采集转换。

该臭氧检测仪就是采用紫外线吸收法的原理，用稳定的紫外灯光源产生紫外线，用光波过滤器过滤掉其它波长紫外光，只允许波长253.7nm通过，经过样品光电传感器，再经过臭氧吸收池后，到达采样光电传感器，通过样品光电传感器和采样光电传感器电信号比较，再经过数学模型的计算，就能得出臭氧浓度大小。

无线通讯6为nrf24l01单片无线收发器，机nrf24l01模块，单片机的rxd和txd引脚与nrf24l01模块的d0和d1引脚直接相连，nrf24l01模块的控制引脚与单片机的控制引脚相连，且其中cs接电源线，即接高电平cs＝1，nrf24l01模块选择工作频道2即在434.33mhz频段进行数传，当系统工作时，由单片机中运行的控制程序实时控制其工作模式接收状态、发射状态以及待机微功耗状态，主机1和从机7之间进行无线数据传输时，发送端的nrf24l01模块将单片机的待传数据调制成射频信号，再发送到接收端的nrf24l01模块，接收端的nrf24l01模块接收射频信号，并将它调制成ttl信号送至单片机。

液晶显示模块5采用2.8寸tft液晶模块，液晶显示模块5的电路包括fpc接口电路、触摸控制电路、io扩展电路、电源电路、tft控制接口电路、sd接口电路，目前在手机上tft使用最为广泛，中高端彩屏手机中普遍采用的屏幕，分65536色及26万色，1600万色三种，其显示效果非常出色，但随着技术的进步，tft不仅应用在手机上以及许多智能仪表，工控人机界面也都在使用tft取代之前的黑白屏，由于tft只能在3.3v电压下工作，以当输入电压vin为5v时，需要通过3.3v稳压ic降到3.3v电压，当输入电压为3.3v时，需要使用0欧电阻将j2短接，相当于不通过稳压ic直接给模块供电。

单机片连接有按键功能模块，按键直接从单片机的引脚输入，只需要简单的键盘扫描程序即可，通过液晶显示屏可以及时反映系统运行的状态，键盘可以进行人工设置，键盘和液晶显示使得人机交互更方便灵活，报警模块2连接有语音模块，报警模块2的电路采用了语音模块与电路连接，一旦被监测点的测量值过低或者过高，超出了预设范围，就会鸣响发声报警，提醒工作人员采取必要的措施。

从机7软件结构包含处理器的初始化，芯片内置ad的使能，芯片内置dma的使能，驱动传感器，驱动无线模块传输数据。

处理器初始化：本系统使用stm32f103zet6的处理器，从机7上电后首先初始化芯片的时钟系统。

芯片内置ad使能：本系统共采集8组数据，故需要使用8个ad通道将采集的8个模拟量转化为数字量，因此通道0到通道7，表现多通道的数据采集，为提高转化速度将ad设置为连续转换和扫描模式，使8个通道的数模转换一次完成，方便数据的读取。

芯片内置dma使能：芯片内置的dma通道，可直接将数据由外设ad数据寄存器复制到内存，使用dma通道可以很方便的将ad转换的结果读入内存，而且在此过程中无需cpu来转移数据，一定程度的降低了cpu的功耗。本系统中使用芯片内部的dma控制器1即dma1，使用dma1的通道1，将ad寄存器中的数据传入已经定义的数组，ad采集8组数据，数组值在0～4096之间，因此定义数组长度为8类型为无符号短整型，用来存放数据。

驱动传感器：本系统主要是对臭氧进行检测同时辅助有7个有害气体检测的传感器，由传感器采集空气中的气体成分，并将其转化为模拟量输出到处理器的ad通道，在系统完成初始化后首先进行延时，等待传感器完成预热，传感器完成预热后就开始检测空气中待检气体的含量，然后输出模拟量。

完成数据的采集后从机7要通过无线模块将数据发送到主机1。本系统中使用nrf24l01来进行数据的传输，nrf24l01的传输的数据宽度为8位，因此定义一个长度为16的无符号字符型数组作为nrf24l01的发送数据寄存区，数值范围0～255；ad的数值在0～4096，nrf24l01的缓存区数值范围0～255，因此要将ad值进行处理，需要将数据拆分，千位和百位组成一个两位数，十位和个位组成一个两位数，分别存入数组。主机1接收到数据之后，再将数据合成，取出ad值。

在系统上电后各种传感器先进行预热，然后可以将环境因素的变化转换成电信号即模拟量，通过处理器的ad引脚将模拟量输入到处理器，最终由处理器对模拟量进行处理。

初始化从机7后使能stm32f103zet6处理器内部的ad控制器1即adc1和dma控制器1即dma1，将adc1设为连续转换和扫描模式，adc1将会对传感器经过ad通道输入的模拟量进行数模转换，内置的ad是12位，输出数字量最大为4096，作为转换结果输出的数字量将被存入adc1的数据寄存器，转换完成后再由内置的dma通道将adc寄存器中的数据，直接复制到内存中，通过dma可一次性将多个ad通道的转换结果传入到内存；本系统中使用通道0到通道10，共使用11个ad通道，可得到11个ad转换值，在程序中定义一个长度为12的无符号短整型数组，用来存放dma传入内存的ad转换结果。

执行以上操作后读取dht11输出的温度值和湿度值，温湿度传感器dht11可同时测出温度和湿度的值，可将采集的模拟值转换成数字量输出，因此处理器可以直接读取dht11的测量结果，得到温湿度的具体值。

到此从机7完成了对室内环境因素的数据采集，然后通过nrf24l01将数据传输到主机1即可，nrf24l01的传输数据宽度为一字节，输出的最大数为255，而ad转化输出的数字量在0～4096的范围之内，因此要对数字量进行处理，定义一个长度为24的无符号字符型数组，作为数据缓冲区，用来存放要经由nrf24l01发送到主机1的数据，将四位数的数字量转换成两个两位数分别存入发送数组，然后传输到主机1，由主机1在接收到数组后，将每两个元素进行合并，还原为四位的数字量，在进行数据的处理。

主机1包括信号处理模块和微处理器，从机7包括信号采集模块和微处理器，主机1内安装有主机1软件，主机1软件包含数据接收，数据处理，lcd数据显示，串口输出数据到pc端，蓝牙传输数据到手机和超出警戒线报警，主机1部分采用的处理器单片机是stm32f103zet6单片机。

数据接收：主机1连接无线模块nrf24l01，与从机7的无线模块建立数据传输，主机1发送不同的地址来区分从机7，与主机1发送的地址相同的从机7将会把采集的数据传到主机1，主机1收到数据后，数据接收完成。

数据处理：由于nrf24l01发送数据长度为一字节，ad采集值数据长度两字节，从机7发送时将两字节的ad值拆分为两个字节，因此主机1将接收的两个字节数据组合成一个四位整数，最后得到的是ad的转换结果，ad值不利于用户直观的了解空气中各成分的含量，因此根据传感器的特性，按照特定的公式将ad值转换为具有实际意义的有效数据。

lcd数据显示：系统中使用2.8寸的tftlcd(薄膜晶体管液晶显示器)，分辨率240*320，用ili341作为驱动ic，系统上电以后先对lcd的硬件进行初始化，然后读取lcd的初始化序列，从而选择与之对应的驱动协议，然后设置要显示的坐标，写入gram的操作指令，再写入颜色数据，之后lcd即在坐标处显示一个有色点，此操作由叫做在lcd上画点，是在lcd显示出字符的基本上，lcd上显示的字符都是由一个个点组成的，通过设置点的坐标让点汇聚成线条，最终在lcd上显示出字符的形状，根据点成线的原理，应用字模生成软件“pctolcd”生成字模的点阵集，将每一个字符转化成为若干个点，然后生成点的坐标，存入点阵集，显示时根据点阵集画点即可完成字符的显示；为方便字符的显示，将画点函数进行封装，封装为数字显示函数和字符显示函数，根据显示的数据是字符还是数字选择相应的函数即可完成数据的显示，在开机lcd完成初始化后即显示问候语、名称及功能简介，然后将主机1接收的数据显示出来，第一行显示从机7的名称，由第二行开始一次显示各个检测量的名称及从机7检测的值，显示完第一个从机7后延时，刷新从机7的名称和采集的数据。

串口输出数据到pc端：使能stm32f103zet6的串口，在pc上安装串口调试助手，用线连接主机1的串口和pc的usb接口，完成准备工作后即可将主机1处理的数据由串口输出到pc端，即可由pc端查看数据。

蓝牙传输数据到手机：使能蓝牙模块，在手机终端4上安装蓝牙串口调试助手，当主机1完成初始化后，打开手机蓝牙和蓝牙串口调试助手app，使主机1和手机通过蓝牙连接，在数据处理后，即启动蓝牙模块将数据发送到手机，用户可以随时打开app查看数据。

超出警戒线报警：主机1中配置有按键模块，用来设置报警的预值，模式切换键，可以切换到不同的采集量，设置预值；预值加，每次按下预值增加；预值减，每次按下预值减少；完成设置后预值将由串口打印输出到pc端，用户可以通过pc端，查看已设定的预值大小，主机1将ad值进行处理以后，会将采集的结果与设定的预值进行比较，若超出预值，主机1将会驱动蜂鸣器进行报警，来提示用户空气中有检测量超标，以便用户采取一定的措施。

从机7软件部分主要完成a/d转换个通过无线模块向主机1发送数据，并显示该测试点的数值，首先对a/d转换中断和无线模块及液晶进行初始化设置，a/d中断的初始化开启pa口时钟、使能adc1时钟，并设置分频因子、设置adc1的工作模式、设置adc1规则序列的相关信息、开启ad转换器、读取adc值；

并且发送数据的长度也要以主机1的接收数据的长度相同，同时满足这两个条件才能实现主机1和从机7之间的通讯，初始化完成后系统开始进行a/d转换，完成转换数据的发送后并显示结果，数据发送完成后，将缓存数组清零，通过循环过程将a/d转换开始，从而实现实时采集、实时转换、实时显示和实时发送功能。

在该无线臭氧监测系统中，单片机之间的数据通信采用一对多的主从模式，利用24g频段无线通信。此系统中，为了使主机1与每个从机7与主机1独立、准确、有效的通信，各个从机7都设有自己独立的地址，从机7负责采集数据并将采集到的数据传回给主机1，由主机1再做进一步的处理。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。