现代测试技术期末作业,基于JN5121无线传感器的汽车尾气在线检测系统设计

现代测试技术期末大作业

题 目 基于JN5121无线传感器的汽车

尾气在线检测系统设计

1 现代测试技术期末作业

题目： 基于JN5121无线传感器的汽车尾气在线检测系统设计

1. 引言

随着石油、化工、煤炭、汽车等工业部门的迅速发展,人们在生活或工业中排放出的气体种类和数量也日益增多，形形色色的气体传感器深入各行各业。气体传感器，一种将气体（一般指空气）中含有的特定气体（即待测气体）以适当的电信号检测或定量的器件，人们根据这些传感器产生电气信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息,从而可以进行检测、监控、报警;还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制、报警系统。随着它功能性的强大，人们也越来越离不开它。

1.1 气体传感器的现状

在国外，气体传感器发展很快，如英国Dynament生产的甲烷红外传感器，高分辨率的全量程甲烷传感器，该传感器在0-10%范围分辨率为0.01%，在大于10%范围分辨率为0.1%，且响应时间小于25秒。满足国家安全生产监督管理局2008-11-19发布，2009-01-01实施的中华人民共和国安全生产行业标准AQ6211-2008《煤矿非色散红外甲烷传感器》的要求；如Wensen研发的电化学氯乙烯气体传感器的灵敏度可达2200nA/ppm等。国外的迅速发展，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。

现在，国际市场气体传感器和探测器的主要生产商集中在美、日、英、德等几个国家。这些国家的生产商也垄断了高端气体传感器及探测器产品的生产技术。气体传感器的国外主要企业有英国的Citytech，各类气体传感器的供应商；英国的Alphasense，电化学气体传感器供应商；英国的Dynament，红外气体传感器的供应商；美国的RAE，电化学气体传感器的供应商；日本的Figaro，半导体气体传感器的供应商；日本的Nemoto，催化剂接触燃烧式和电化学式气体传感器的供应商等。

在近几年，国内也有一定的研究，如2007年，冯庆等人利用电子束蒸发制备了TiO2-WO3复合氧化物薄膜,在500℃下退火2h；通过SEM和XRD观察了该薄膜的形貌特性并进行了气敏测试，结果表明该薄膜对酒精、丙酮和二氧化硫气体具有较强的敏感性。2009年，王燕首次创新性地通过研究CuO/α-Fe2O3材料的CO

2 催化氧化活性来推断其对CO气体的敏感机理。解决了半导体电阻式气敏元件的选择性问题,采用沉积-沉淀法将P型半导体CuO成功负载于n型半导体α-Fe2O3基体材料上,设计并制成新型P-N结半导体气敏元件。2010年，娄向东等人以SnCl4·5H2O和钛酸四丁脂为原料，采用Sol-Gel法制备SnO2-TiO2材料。运用XRD、TEM对SnO2-TiO2粉体的物相、形貌和结构进行表征，并测试其灵敏性能，实验表明，SnO2-TiO2纳米粉体在3.5V加热电压下对100ppm乙醇的灵敏度为464.116。

1.2 气体传感器的发展趋势及前景

目前，气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展，一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合；二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器，如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化。

气体传感器行业从2000年到2007年一直保持着良好的高增长势头。欧、美、日等发达国家都非常重视气体探测产业的发展，将其列入国家重点发展和扶持的产业，2008年达到8.12亿美元，年增长率为11%。在国际市场上，气体探测行业将继续保持着良好的增长势头。需求量也将会从现在的欧美为主向其他国家过渡。气体传感器也从最初的研究气敏元件的特性发展到了与微电子技术、纳米技术等先进技术结合的新阶段。

近年来，各国研究者广泛开展碳纳米管气体传感器的研究工作，碳纳米管具有灵敏度高、响应速度快，尺寸小、能耗低和室温下工作等诸多特点。随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类气体传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。此外，气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体全自动数字式的智能气体传感器是该领域的重要研究方向。

1.3 研究的意义

近几年来，我国汽车产业迅速发展，社会保有量急剧增加。由于汽车主要集中在城市，成为城市的大气污染物的主要来源，因此对汽车进行尾气检测是保障城市空气质量的重要手段，检测和控制汽车尾气排放是国家环保部门的重要职责，

3 汽车尾气检测技术受到了各级环保部门的高度重视。然而，目前由于技术条件的制约，国内环保部门通常采用年检方式对汽车尾气排放情况进行检测。

在这种机制下，汽车的日常运行时其尾气造成的污染程度无从掌握，无法及时控制汽车的尾气污染。本文给出了一种基于JN5121无线传感器网络技术的汽车尾气在线检测系统方案，此方案利用无线通信技术，使得汽车尾气检测做到随时随地抽样检测，实时掌握汽车的尾气排放情况，及时制止超标车辆上路，最大程度上减少尾气对空气的污染。

2. 系统总体方案

基于JN5121无线传感器网络技术的汽车尾气在线检测系统包括两大关键技术：(1)充分利用无线传感器网络分布性广、可扩展性强、容错性好、功耗小、成本低以及非接触性等特点，(2)采用固态电化学二氧化钛(Ti02)氧敏材料传感器作为检测传感器，利用其检测实时性高的特点[1]，设计一种能够在汽车不停车的情况下自动检测其排放尾气的在线检测系统。

系统总体方案如图1所示，在汽车尾气排放口安装传感器，采集行驶中的汽车尾气信息；基站具有一定的覆盖范围，在实施初期，可采用移动基站，根据城市道路的宽度，基站的覆盖范围可初步定在半径为200m范围内，环保部门在城市交通枢纽和车流繁忙地段设置移动基站，利用这些地段车流量大、车速不高的特点，大量的接收检测信息，抽样检测监控上路车辆的尾气排放情况；汽车尾气在线检测系统的最终实现目标要做到全城覆盖，实时监控城市所有在运行的车辆，及时发现超标车辆，降低汽车尾气对城市环境的污染。

图1.系统设计总跳方案

4 3. 系统硬件设计

系统硬件主要包括：1个个人局域网协调器(雕岍(Personal Area Network

Coordinator)和N个终端设备(End Device)。协调器放置在移动基站上，终端设备安装在汽车尾部，一般要求体积小、功耗低、适应性强、鲁棒性好且具有无线通信和数据处理能力，因此系统采用将无线收发器和控制器集成在一起的单芯片解决方案，即采用英国Jennic公司的JN5121无线模块及相应Zigbee软件开发包，JN5121是业界第一款兼容于IEEE802．15．4的低功耗、低成本无线微型控制器。该模块内置一款32位的RISC处理器，配置有2．4GHz频段的IEEE802．15．4标准的无线收发器，64k的ROM，96k的RAM，21路GPlO。JNSl21内置的ROM存储集成了点对点通讯与网状网通讯的完整协议栈[2]。该方案成功解决了无线模块和数据处理模块分开设计所带来的功耗大、系统稳定性差和体积较大等问题。

3.1 终端设备设计

终端设备主要用来实时采集汽车尾气信息并通过无线收发器把信息传送给个人局域网协器，每一个终端设备的硬件组成是相同的，其主要由供电模块、数据采集与处理模块、微控制器MCU及其核心电路模块和无线收发模块4个部分组成，终端设备总体结构如图2所示。

图2.终端设备总体结构

供电模块中，采用12V的汽车电瓶电源供电，由于MCU和A/D转换芯片AD7998正常工作电平为3．3V，因此选用DC—DC电源芯片CS51411进行电平转换，CS51411是安森美半导体推出的一款1.5A、260kHz和520kHz带有外部偏置或同步功能的低电压降压转换器。CS51411适用的输入电压范围宽，静态(关断)电源电流仅为10A，采用标准的8引脚小尺寸集成电路(IC)封装，可在270kHz的

5 开关频率操作，CS51411具备用于并行电源操作和降噪声的外部时钟同步引脚，可提供高偏压功能，从而达到最大的电压驱动效率；数据采集与处理模块负责采集与处理汽车尾气，其核心是由一个吸气泵、传感器组和数据采集芯片AD7998组成，吸气泵组件负责吸取汽车排气筒的尾气并进行干燥与降温处理，传感器组负责把汽车尾气转换成0-3V的电压信号，AD7998是具有8路12位低功率12C接口的ADC芯片，其主要负责把汽车尾气信息转换成数字信息并采用12C总线传送给JN5121[3]。无线收发模块负责与协调器进行无线通信，为保证通信的可靠性，这里采用JN5121的高功率模块；JN5121是将无线收发器和控制器集成在一起的微控制器，从而保证无线模块与数据处理模块工作更加可靠，JN5121芯片没有集成程序存储器，故本系统采用芯片自带SPI接口外扩程序存储器，程序存储器采用SGS Thomson Microelectronics公司推出的高可靠性串行闪存M25P10，该芯片集成标准的4线SPI总线和最大50 MHz数据传输时钟，具有1/zA深省电功能，使整体功耗达到最低水平，将M25P10直接连接至JN5121的SPI接口上，使用标准SPI时序即可读写片上数据，UART单元主要由Max232及其辅助电路构成，用于微控制器的编程与程序升级[4]。终端设备硬件连接如图3所示。

图3.终端设备硬件连接图

3.2 个人局域网协调器设计

个人局域网协调器是整个无线网络的控制中心，它能够主动扫描本身覆盖范围内的所有终端设备，负责网络准入、动态地址分配和终端设备所采集的汽车尾气信息的收集等。它是整个无线网络中唯一与监测计算机系统通过RS232有线连接的设备。在整个监测系统中起着承上启下的作用，相当于河面上的一座桥：一

6 方面接收上位机(监测计算机)指令进行网络设置[5]；另一方面打包终端设备所采集的汽车尾气信息数据，发送给上位机。协调器节点硬件设计上与终端设备大体相同，协调器节点是用于监测上路汽车的尾气，自己不需要传感器组与数据采集芯片，其它部分的硬件电路与终端设备节点是完全相同的，它们二者的区别主要在软件上。

4. 系统软件设计

系统软件设计主要包括下位机(无线传感器网络)与上位机软件(监测计算机系统)设计两部分。无线传感器网络软件基于IEEE802.15.4协议栈，选择Jennic公司所提供的Code—blocks集成开发环境，这个软件和基于cygwin的gcc编译器进行连接完成代码的编辑与编译工作。Code blocks是一款开源的C/C++开发工具，Jennic基于这个工具对其进行扩展形成了自己的开发平台，Code blocks提供向导生成程序框架，再由开发人员继续完成针对具体应用的代码[6]。由于开发环境提供了完整的网络协议框架，故极大地减轻了开发者在网络通讯的实现方面的工作量，大大降低了开发难度，使得开发者能够专注自己的具体应用开发。