1 引言
目前，困擾人們日常生活的室內空氣質量問題主要有兩種：
（1）由于房屋裝修、玩具、殺蟲噴霧劑等帶來的有害氣體，如甲醛、揮發性有機物（VOCs：包含苯系物）等致癌物質；
（2）人們日常生活中由于粗心或設備故障引起的有害氣體泄露，如水煤氣、天然氣、液化石油氣等的泄露給人體帶來危害。因此，有必要設計一種集這兩方面有害氣體監測為一體的便攜式室內空氣質量監測儀（IAQ Monitoring System），及時、準確、有效地對生活壞境中這類有害氣體進行檢測并報警，提醒人們做出一定措施。不僅能有效地保護人們的健康，甚至能夠讓很多家庭災難得以避免。
該系統采用Samsung 公司的S3C44B0x 微處理器芯片作為硬件核心，選用μC/OS-Ⅱ實時操作系統作為嵌入式軟件的基礎和開發平臺。S3C44B0x 芯片內集成了ARM7TDMI 核，并在ARM7TDMI 核基本功能的基礎上集成了豐富的外圍功能模塊，便于低成本設計嵌入式應用系統。μC/OS-Ⅱ是一個完整的、源碼公開的、可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務內核。其中μC/OS-ⅡV2.52 通過了美國航天管理局（FAA）的安全認證，可以用于飛機、航天器等與人生命攸關的控制系統中，是值得放心使用的操作系統。實踐結果證明，該監測儀操作簡單，工作穩定可靠，成本低，具有廣闊的應用前景。
2 系統總體設計
由于嵌入式操作系統屏蔽掉了很多底層硬件的復雜信息，在開發的過程中，通過操作系統提供的API 函數便可以完成大部分工作，可以簡化開發過程，提高系統的穩定性，所以該監測儀選用采用嵌入式操作系統。
嵌入式監測系統由硬件層、中間層、軟件層、功能層組成，各層的內容結構如圖1 所示。其中板級支持包（BSP）或稱硬件抽象層（HAL）的功能在于將系統軟件和底層硬件部分隔離，一般具有相關硬件的初始化、數據的輸入/輸出操作、硬件設備的配置等功能。
3 系統硬件設計
3.1 系統硬件基本架構
系統硬件主要由兩大部分組成：
（1）針對該氣體監測系統的傳感器陣列電路，其中包括傳感器加熱電路、傳感器信號采集電路；
（2）典型的S3C44B0x 的外圍電路，其中包括實現該系統所需要的5 V、3.3 V、2.5 V、1.4 V 的電壓轉換電路、用于程序和數據存儲的Flash 存儲器和Sdram 存儲器電路、用于顯示各種氣體當前濃度的液晶顯示電路、聲光報警電路、鍵盤操作電路以及用于調試的JTAG 接口電路。
室內空氣質量監測系統硬件結構圖如圖2 所示。
3.2 氣體傳感器信號拾取原理
該設計中選用的MQ-135 氣體傳感器適用于測量甲醛、甲苯、煙霧、二氧化碳等有害氣體；MQ-9 傳感器用于測量一氧化碳、甲烷、液化石油氣這類可燃氣體；選用了DHT21 溫濕度傳感模塊進行溫濕度的測量。
MQ-135 和MQ-9 的測量電路如圖3 所示。該測量電路由測試回路和加熱回路兩部分組成。在測試回路中，傳感器表面電阻RS 阻值隨待測氣體濃度的變化而變化，通過與其串聯的負載RL 上有效電壓信號VRL 的輸出來反應空氣中待測氣體的濃度，VRL 與RS 之間關系如式（1）所示。
圖3 中，A，a，B，b，H，h 為氣體傳感器的6 個接頭；VC 為回路電壓；VH 為加熱電壓；RH 為加熱電阻；RS 為傳感器表面電阻；RL 為取樣電阻；VRL 為輸出電壓。
對于圖3 中的加熱電壓VH，MQ-135 采用5 V直流電壓作為加熱電壓；MQ-9 采用5 V 高電壓、1.4V 低電壓循環加熱的方式。對于MQ-9，當VH=5V 時，清洗傳感器；VH=1.4 V 時，傳感器工作，可以采集氣體濃度，其中，高電平持續時間為60 s，低電平持續時間為90 s。MQ-9 加熱電壓波形如圖4 所示。
4 系統軟件設計
在設計一個簡單的應用程序時，可以不使用操作系統，但在設計較復雜的程序時，可能就需要一個操作系統來管理和控制內存、多任務、周邊資源。以RTOS 為軟件開發平臺把設計分割為若干獨立的任務，應用程序的設計過程可以大為簡化。該設計中采用μC/OS-Ⅱ占先式實時操作系統來完成多任務之間的調度和同步。
4.1 系統軟件基本架構
該系統的主函數流程圖如圖5 所示，從中也可以看出該嵌入式系統的啟動過程以及該系統軟件基本架構。在開啟多任務調度之前，首先要進行系統硬件初始化，為隨后的操作系統初始化和應用程序的運行建立硬件和軟件環境；第二步要進行操作系統初始化，創建應用程序環境；根據系統需要，要進行LCD 初始化、裝載字庫；第五步，調用系統配置文件；第六步創建任務，包括主任務和應用任務；然后初始化用戶界面和系統時鐘。以上所有的工作都完成之后，通過執行OSStart（）；來啟動多任務調度。
4.2 應用軟件設計
為了充分發揮操作系統在任務調度、任務管理、任務通信、時間管理和內存管理等方面的優勢，首先必須根據需要實現的功能，合理地劃分任務和分配任務的優先級。任務優先級的確定原則是工作頻率越高，任務的優先級越高。系統中并行存在7 個應用任務，按優先級從高到低依次是模擬信號采集任務、模擬信號處理任務、數字信號采集任務、系統時間修正任務、液晶刷新任務、鍵盤掃描任務、液晶自動關閉任務。任務之間的通信是通過發送或接收消息、信號量或數據隊列來實現的。
μC/OS-Ⅱ操作系統上允許同時運行64 個任務，其中8 個任務被系統的內核使用。要想在應用程序中建立一個新的任務，必須先為任務定義自己的棧空間，選定一個系統唯一的任務優先級。下面以鍵盤掃描任務為例，具體程序見程序清單4.1。
程序清單4.1 鍵盤掃描任務相關代碼：
5 結語
本文主要介紹了基于S3C44B0x 和μC/OS-Ⅱ的室內空氣質量監測系統的軟、硬件設計方案以及系統中氣體傳感器的工作原理。在監測儀中移植嵌入式實時操作系統對提高嵌入式系統的實時性、可靠性，縮短開發周期和減小后期維護的難度具有重要意義。經測試，該監測儀具有運行穩定、測量準確、報警及時、操作簡單、功能齊全、便攜性好等優點，并且隨著S3C44B0x 以及其外圍電子芯片價格的降低，該監測儀更具有成本低廉的優點，適合普通家庭使用。