研究生课程考试成绩单（试卷封面）任课教师签名：日期：注：1. 以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。

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摘要目前，人们大约90%的时间在室内环境度过；因此，室内空气质量的好坏，直接关系到人体健康。

但是，现在室内空气质量监测设备价格昂贵、测量种类单一、不具有无线传输功能。

本课题针对室内空气质量监测设备的现状，结合现在最为热门的嵌入式Linux系统和ARM处理器，设计了一种集监测有害气体和可燃性气体为一体的基于嵌入式Linux的室内空气监测系统。

本文以室内空气监测系统为对象，首先介绍了室内空气质量的现状及存在的问题；其次论述了嵌入式系统的操作系统、处理器以及本监测系统的整体设计方案；最后重点介绍了监测系统的软、硬件设计与实现。

硬件设计方面，选用三星公司的32位的S3C2440A微处理芯片作为监测系统的硬件核心；软件设计方面，采用了嵌入式Linux 操作系统作为软件开发平台。

在室内空气监测系统的软件设计部分，首先实现了LCD、PCF8591、SHT71以及nRF24L01等硬件模块的Linux驱动程序设计；其次，设计了Linux应用程序实现对驱动程序的测试和验证；最后，设计了基于Qtopia的监测系统操作界面。

在本监测系统中采用嵌入式Linux系统，方便用户对系统的升级、移植和裁剪，而且Linux系统具有高稳定性和可靠性。

监测系统采用触摸屏技术，减少了按键方面的设计，使监测系统更加便携。

监测系统具有无线传输的功能，方便用户在远离恶劣环境的情况下进行室内空气质量的测试；同时解决了用户对室内空气质量进行多点测试时布线困难的问题。

关键词：嵌入式；S3C2440A；Linux系统；气体监测目录摘要 (2)目录 (3)1 绪论 (6)1.1研究背景与意义 (6)1.2国内外研究状况与发展方向 (7)1.2.1国内外研究状况 (7)1.2.2发展方向 (8)2 嵌入式系统介绍与整体方案设计 (9)2.1嵌入式系统介绍 (9)2.2常见嵌入式操作系统简介 (10)2.2.1 VX W ORKS系统简介 (11)2.2.2W IN CE系统简介 (11)2.2.3嵌入式L INUX系统简介 (12)2.3嵌入式ARM微处理器简介 (13)2.4监测系统的整体方案设计 (14)3 室内空气监测系统的硬件电路设计 (16)3.1主控芯片S3C2440A模块设计 (16)3.2触摸屏及LCD模块设计 (18)3.3气体采集模块设计 (20)3.3.1MQ-138气体传感器 (20)3.3.2TGS2611传感器 (21)3.3.3PCF8591A/D转换芯片 (22)3.4温湿度采集模块设计 (23)3.5无线传输模块设计 (24)3.6报警模块设计 (26)4 室内空气监测系统的软件设计 (27)4.1监测系统的驱动程序设计 (27)4.1.1GPIO驱动程序设计 (28)4.1.2气体采集模块驱动程序设计 (31)4.1.3温湿度采集模块驱动设计 (33)4.1.4无线传输模块的驱动程序设计 (35)4.1.5触摸屏及LCD模块驱动程序设计 (39)4.2监测系统的L INUX应用程序设计 (41)4.3监测系统的Q TOPIA用户界面程序设计 (43)4.3.1Q TOPIA简介与Q TOPIA开发平台的搭建 (43)4.3.2监测系统的开机界面设计 (45)4.3.3监测系统的主界面设计 (46)5 室内空气监测系统的测试结果与数据分析 (51)5.1监测系统的测试结果 (51)5.1.1传感器MQ-138和TGS2611的测试结果 (51)5.1.2温湿度传感器SHT71的测试结果 (53)5.1.1无线传输模块N RF24L01的测试结果 (53)5.2监测系统的数据分析 (54)6 总结与展望 (55)6.1总结 (55)6.2展望 (55)1 绪论1.1 研究背景与意义近年来，随着人们生活水平的不断提高，室内装修已成为人们改善生活条件、提高生活质量的重要组成部分，而由于装修引发的室内空气污染问题也相继产生，并日益受到人们的关注和重视。

除此之外，我们大部分时间都是生活在室内环境，如办公室、学校以及家庭；因此，室内空气质量的好坏，直接关系到人体健康。

大量研究表明，室内空气中已经监测到的有毒有害物质达数百种，常见的也有十多种，其中绝大部分为有机物。

加拿大环境卫生组织的研究发现，人类约70%的疾病是由于室内环境的空气污染造成的。

目前我国每年由于室内空气污染引起的死亡人数已经达到100多万人，由此所造成的直接和间接经济损失高达200多亿美元。

目前，世界卫生组织已经把室内的空气污染列为影响人类健康的十大威胁之一，全球每年因此而导致死亡的人数达1000多万人。

因此对室内空气监测系统的研究具有重大的实际意义。

2003年3月1日正式实施的“室内空气质量标准”中是我国第一步关于室内的空气质量标准，该标准把室内的化学污染、物理污染和生物污染列为室内空气中的三项主要控制指标。

该标准的实施一方面说明了室内空气污染对人类健康的重要影响，另一方面也说明了国家对室内空气污染问题的极度重视。

室内环境监测委员会于2004年从北京地区抽取一千户新装修家庭进行室内空气的监测，其抽检结果显示甲醛超标的占60%；另外，深圳市的计量质量检测研究院也于2004年1-7月份，对全市的500多套房子进行了室内空气的监测，其结果表明90%的房子的甲醛浓度超标。

上述数据和行动充分说明室内空气的污染开始引起人们的普遍关注和重视；同时也需要采取相关措施来监测和减少室内空气的污染，提高室内空气质量，为人们提供一个健康的生活环境。

由以上的论述可以得出，室内空气污染问题已经引起全球的广泛关注，也给用于室内空气的监测、监控的仪器仪表带来了巨大市场。

因此对室内空气监测系统的研究具有非常重要的意义。

1.2 国内外研究状况与发展方向1.2.1 国内外研究状况根据相关的文献和网络资源，针对室内空气质量的监测设备的现状如下：在检测甲醛等有害气体方面，国外比较出名的公司及产品为：美国ESC公司的ES300手持式甲醛检测仪、英国的PPM400ST甲醛检测仪等。

国内比较出名的公司及产品为：深圳市吉顺安科技有限公司的JSAB-CH20便携式甲醛测试仪、中国江苏的兴科仪器XK系列甲醛测试仪、南京鼎顶电子科技有限公司的DDJT-100家用甲醛检测仪等。

在检测可燃性气体方面，国外比较出名的公司及产品为：加拿大的MC2-W可燃性气体检测仪可燃气体检测仪、美国的霍尼韦尔X4-FL可燃性气体检测器等。

国内比较出名的公司及产品为：郑州迪凯科技有限公司的GA-10系列可燃性气体报警器、南京波腾科技工程有限公司GD-2000W可燃气体检测报警仪等。

虽然国内外生产室内空气监测设备的公司以及相关的产品已经很多，但是上面的相关设备也存在如下的一些不足之处：（1）上述仪器设备昂贵，如TSI公司生产的PPM400TM的价格约为一万多元人民币。

另外，仪器测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定，需要专业人员进行操作，很难连续测定。

一种仪器只能采集一种气体，如果需要采集室内空气的多个空气参数，需要利用多种仪器进行采集，这种做法增加了室内空气监测的费用；由于仪器自身的误差，这种做法还有可能导致监测结果的误差增大。

（2）上述仪器的操作均是基于按键进行操作，比如，实现LCD背光亮度的调节、仪器自身的调零、校准等。

使用按键增加了仪器面板的面积和面板的制作难度，从而增加了仪器的结构成本；使用按键也增加了仪器的硬件成本和组装整个仪器的难度，从而增加了仪器的成本，不利于监测设备向着便携式方面的发展。

（3）上述仪器不具有无线数据传输的功能，不便于人们在远离恶劣环境的情况下进行室内空气的监测等。

1.2.2 发展方向随着微电子技术和集成电路的发展，以及嵌入式处理器和嵌入式系统逐步普及的趋势，使得室内空气监测系统开始向着智能化、小型化、便携性等的方向发展。

使其具有如下的特点：（1）具有智能处理数据的功能，智能仪器由于应用了嵌入式微处理器，不仅能进行气体浓度的测量，而且还具有对该测量结果进行诸如调零、中值滤波等比较复杂的处理功能。

（2）具有友好人机交互的功能，智能仪器使用触摸屏代替传统仪器中的按键，操作人员可以根据需要通过触摸屏输入相关命令，进而实现某种特定的测量功能，同时也减小了智能仪器所占的空间，便于实现仪器的便携式发展。

（3）具有在线可编程的功能，智能监测仪器一般都配有标准通信接口，如USB,UART，RS485等。

可以与台式机或其他的监测设备一起组成用户所需要的测量测试系统，从而实现更加复杂的功能。

（4）具有用户可扩展的功能，智能仪器一般采用微处理器作为主控制器，其内部集成较多的功能，方便用户在智能仪器的使用过程中，根据自己的需求对智能仪器相关功能的进行扩展。

（5）规范化、通用性、可靠性和安全性设计也必将成为未来室内空气监测系统追逐的目标。

2 嵌入式系统介绍与整体方案设计2.1 嵌入式系统介绍所谓嵌入式系统是指以实际应用为中心，以嵌入式计算机技术为基础，软件硬件均可剪裁的专用计算机系统。

从20世纪70年代单片机的出现到今天，嵌入式系统已经有了近40年的发展历史，并且在各个领域都已经得到了广泛应用。

如平常所广泛使用的手机、IPAD、网络机顶盒等都属于嵌入式设备。

随着信息数字化时代的到来，嵌入式系统进入了一个快速发展的时期。

图2.1 嵌入式系统结构图嵌入式系统作为一类比较特殊的计算机系统，它一般包括如下的四个方面：嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件，其关系如图2-1所示。

首先，嵌入式处理器和外围设备两个部分共同组成了嵌入式系统的硬件设备部分。

其中，嵌入式处理器是整个嵌入式系统的核心部分；外围设备是整个嵌入式系统中辅助嵌入式处理器完成LCD显示、数据存储等功能的其他部件。

其次，嵌入式操作系统不仅具有操作系统一般功能；同时在操作系统的实时性、应用专用性等方面具有非常突出的特点。

最后，嵌入式系统的应用软件是针对某一特定的应用领域，基于某一特定的硬件设备平台，用来实现用户的预期目标的计算机软件。

嵌入式系统拥有广阔的发展前景，嵌入式处理器的自主设计已经成为未来嵌入式领域的一大趋势。

综上所述，嵌入式系统是一个具有强大生命力的系统。

2.2 常见嵌入式操作系统简介随着嵌入式系统的广泛应用，其程序的编写和设计也逐渐变的复杂，因此需要一个嵌入式操作系统来实现对整个系统的程序进行控制和管理。

嵌入式操作系统便应运而生。

而常见的嵌入式操作系统如下：2.2.1 vxWorks系统简介vxWorks是一种嵌入式实时操作系统，是本世纪八十年代由美国的Wind River 公司推出的一种为实时嵌入式系统设计的32位操作系统。