一种低成本无线室内空气质量传感器的设计网络系统外文翻译资料

英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

一种低成本无线室内空气质量传感器的设计网络系统

作者：Sherin Abrahaml·Xinrong Li

收到：2015/11/17 接受：2016/1/21

网上公布：2016/3/7施普林格科学 商业媒体纽约2016

摘要：室内空气质量监测系统帮助检测和改善室内空气质量。这个目前可用的监控系统非常昂贵。在本文中，我们提出了一个低成本的室内空气质量无线传感器网络监控系统开发用Arduino XBee模块、微气体传感器。这个系统能够采集六个空气质量参数同时从不同地点。我们还提出了一种基于线性最小二乘估计的方法用于传感器校准和测量数据转换。在本文详细介绍了无线“空中”质量传感器节点及其校准方法。每—通过对系统的性能和实用性比较我们的系统与Pro的测量结果—专业级空气质量测量装置。

关键词：环境监测·室内空气质量·微气传感器·无线传感器网络

1.介绍

室内空气污染将在五大环境公共卫生风险由美国环境保护局（EPA）及其科学咨询委员会进行排名。平均每人花费估计90%的室内时间使室内空气质量变得很差，进而（IAQ）对公众健康造成巨大风险。恶劣的空气质量可能导致短期健康问题增加如疲劳和恶心以及慢性呼吸疾病、心脏病与肺癌。据估计美国每年的成本和生产力损失是100亿美元- 200亿美元相关的病态建筑综合症，这是定义描述急性健康影响，出现影响与室内空气质量差及所花费的时间有关。

有许多因素影响室内空气品质问题。首先，大多数现有的空气质量测量设备是专为专业人士。这样的系统是昂贵的，超出平均水平用户。人类感觉或感觉二是空气质量差极为困难，因此，大多数人不能告诉室内空气质量是否不好。对于相同的原因，大多数人没有意识到，我们的一些日常活动降低室内空气质量。另一方面，一各种简单常识的措施可能有助于预防和解决许多室内空气问题。最近的一个研究表明，实现室内空气的当前水平质量促使人们改变自己的行为和表现改善空气质素的活动。第三、大多数人认为室内空气质量优于室外，而

研究表明，室内污染物水平可能是两个比户外高五倍。过度使用空气清新剂和化学家用清洁产品可能反而降低室内空气质量。因此，有一个被广泛接受的室内空气品质监测系统迫在眉睫，可以提供直观的空气质量意识在室内环境条件下。

一般的室内空气监测通常局限于烟雾和一氧化碳（CO）探测器与二进制检测结果触发报警。一些先进的供暖、通风和空调（HVAC）系统使用二氧化碳传感器控制通风。然而，不论是二进制的CO检测器，或者co2传感器是足够的室内空气质量的措施，作为一个过多的室内空气污染物影响公众健康。另一方面，昂贵的专业级商业空气质量测量系统通常使用的PRO都散步或现场测试时问题已报告。大的分割空间建筑物表现出不同的小气候条件，必须同时进行分布式监测许多传感器节点，以准确地表征SPA—tiotemporal动力学和空气的相关特性整个建筑的质量状况。商业社会空气质量测量系统不是专为这样的目的。因此，一个低成本，广泛的访问可能，需要实时分布式IAQ系统大型建筑物监测。

有一些研究，近年来发表的室内空气质量监测系统，如[ 5，6，8，9 ]。不同于现有的研究，在本文中，我们提出了一个低成本的无线传感器网络的室内空气品质系统开发使用的Arduino XBee模块、微气体传感器。该系统，我们已经开发了能够同时收集六个空气质量参数从不同的地点。我们还开发了一种基于线性最小二乘法的传感器校准和测量数据转换方法。通过我们的系统comparingmeasurement结果和专业级空气质量测量装置，验证了系统的性能和实用性。

本文的其余部分组织如下。在学派2，整体系统架构描述。然后，在学派3，详细阐述了传感器节点的设计，包括传感器节点的功能构建块和各种空气质量传感器信号调理电路。提出了一种基于最小二乘估计的校准方法在学派4。一些样品实验测量结果列在学派5。演示设计的有用性。最后，论文得出结论在学派的总结6。一个较短的版本本文已发表在会议FNC 2014 。

2无线传感器网络系统设计

我们开发的无线传感器网络系统的整体体系结构如图1所示，它类似于我们前面开发的[ 11 ]。该系统的主要组成部分包括传感器节点，基站，以及数据库和Web服务器，如图所示。基站定期接收来自分布式传感器节点的测量数据，然后将数据转发到数据库服务器进行存储和管理。Web服务器可以为用户提供方便的网络接口，方便用户访问数据，实现对传感器网络系统的远程管理。传感器节点在该基地的开发细节，数据库和Web服务器，Web界面的左另一个出版物[ 12 }。

传感器节点的无线通信网的组网能力，使用digixbee模块[ 13 ]实施。XBee模块实现了IEEE 802.15.4无线ZigBee网络协议且它已成为非常流行的快速原型的无线传感和驱动系统。IEEE 802.15.4标准规定的低数据速率无线个人区域网络[ 14 ]的物理和媒体访问控制层。ZigBee是一种低成本，低功耗，无线Mesh网络标准建立在802.15.4 [ 15 ]。

XBee模块可配置为三种类型：协调器、路由器、设备和终端设备。协调员有能力控制整个网络。路由器可以在树或网状网络拓扑中传递消息。终端设备只能与协调器或路由器进行通信。网络中只有一个协调器，路由器或终端设备的数量不受限制。从理论上讲，一个协调器设备可以支持多达65536个节点的网络，这是仅限于由单个节点的16位网络地址。传感器节点XBee模块是配置为路由器或终端设备，而基站XBee模块作为协调员。然后，所有的XBee模块内网络一起使用ZigBee协议形成网状网络拓扑。这种实现更多的细节中可以找到[ 12 ]。

3网络式IAQ传感器

3.1传感器节点设计

我们开发的传感器节点配备有多个传感器，一个处理单元，一个无线通信和网状网络模块，如图1所示。处理单元是基于Atmega328的开源微控制器开发板Arduino Uno。如图二。 无线通信是通过使用XBee模块实现的。传感器护罩设计用于将多个传感器与其控制电路集成在一起，屏蔽层直接插入Arduino板上的标准化扩展接头。

Arduino Uno上的微控制器是16 MH Atmega328。 它属于具有先进RISC架构的Atmel 8位微控制器系列。 其特点包括32个具有读写大写能力的ICB哈希存储器，1 KB EEPROM，2 KB SRAM，23个通用UO线（GPIO），32个通用工作寄存器。三个灵活的定时器/计数器，具有比较模式，内部和外部中断，串行可编程UART，面向字节的2线串行接口，SPI串行端口，6通道10位A / D转换器，带内部振荡器的可编程看门狗定时器，以及五种可选择的省电模式。

模块设计考虑了成本，功耗，空间利用率等因素。 我们将传感器放在两个独立的传感器屏蔽中，以使传感器节点紧凑和方便。 因此，设计了两种类型的具有必要的接口电路的不同传感器的传感器屏蔽。 1型传感器屏蔽层具有CO2，挥发性有机化合物（VOC）和温湿度传感器，而II型传感器屏蔽层具有CO，臭氧和温湿度传感器。 温度和湿度传感器放置在两种类型的屏蔽上，以观察气体传感器的输出是否取决于湿度和温度变化。 传感器节点带有I型传感器屏蔽如图3所示。

图1无线传感器网络系统的整体系统架构，用于室内空气质量监测

图二a传感器节点功能框图，b Arduino Uno微控制器板，cDigi XBee模块

图三传感器节点带有CO2，VOC和温湿度传感器

3.2将IAQ传感器与Arduino接口

当与Arduino板上的Atmega328微控制器接口时，我们集成到系统中的每个IAQ传感器对电源和信号调理都有不同的要求。 在本节中，我们介绍了对于IAQ参数的精确测量很重要的接口电路的详细设计。

CO2传感器MG811是化学传感器。可检测的二氧化碳浓度范围为350-10,000 ppm（百万分之一）。 它基于固体电解质电池原理工作。 当传感器暴露于CO2气体时，化学反应发生在电池中产生电动势。 传感器的表面温度需要足够高以使这些反应发生。 因此，使用单独的加热电路将传感器加热到所需的温度[16]。 由于传感器的输出电压非常低（100-600 mV），因此需要将其放大到5 V的最大值，以提高测量精度，这要求5 / 0.6 = 8.33的增益。它还需要外部加热电源，因为微控制器不能满足电源要求。 因此，必须为该传感器开发信号调理和加热电路。

图4显示了基于运算放大器MCP 6001的COZ传感器设计的非反相放大器电路[17]。 实际获得的成就放大电路是G=1 R1/R2=7.8,这也使用Pspice仿真结果显示图5.

图5放大电路的仿真结果基于图4

图4用于CO2传感器的同相放大电路信号调理

Arduino LTNO需要100 ps读取模拟输入。 因此，可能的最大采样频率为10 kHz。 由于在室内环境中的COZ读数将会缓慢变化，所以调节电路中也包含截止频率为210赫兹的低通滤波器，以减少采样噪声。 具有低通滤波的放大器电路的频率响应如图6所示。 CO2传感器需要6 V的加热电压，电流为200 mA。 满足这个设计要求，我们实施了一个稳定的5 V电源，如图7所示。

图6放大器电路的频率响应基于图4

VOC传感器TGS2602是加热半导体传感器。它包括由诸如二氧化锡或二氧化锌的金属氧化物材料组成的传感层。传感层与集成式加热器一起形成在传感芯片的氧化铝基板上。传感器的电导率在暴露时会增加可检测气体。电导率的变化产生对应于气体浓度的输出信号。 TGS2602对低浓度的气体如氨，硫化氢和甲苯敏感。其检测范围为1-30 ppm。低功耗，使用寿命长，电路简单，体积小，对气味敏感性高等特点，是传感器的一些优点。由于传感器的输出范围为0-5 V，因此不需要特殊的放大电路。然而，需要单独的加热电路来改善传感器性能。 VOC传感器的加热电阻器需要5 V的电压，并获得约56 mA的电流。因此，我们实施了一个与图7完全相同的稳压5 V直流电源电路。除了电阻R和RZ取不同的值，即R1= 240Omega;和R2 = 716Omega;。

CO传感器MQ7也是类似于VOC传感器的加热半导体传感器[19]。它对CO高度敏感，寿命长。该传感器的CO检测范围为20-2000 ppm。所需的测量电压源为5 V，但需要在5 V（60 s）的高电压和1.4 V（90 s）的低电压之间交替所需的加热电压电平。因此，特殊的开关电源需要设计用于加热。在2.5分钟的每个加热循环之后，输出信号测量通过负载电阻器进行。为了满足这一要求，我们实施了一个可切换电源电路，如图8所示。由微控制器的数字输出信号控制。微控制器被编程为按照所需的时间表切换电源在5和1.4 V之间。开关电源的Pspice仿真结果如图9所示。我们可以清楚地观察到电路使用微控制器的双乡控制信号正常工作。

图7用于加热的6 V直流电源C02传感器

图8由微控制器控制的可切换的稳压直流电源

图9显示开关电源的仿真结果基于图8

臭氧传感器MQ131也是加热半导体传感器[20]。 该传感器中的敏感材料是氧化锡。 其组成和工作原理与VOC传感器相同。 它对臭氧敏感，对氯和二氧化氮（N02）也很敏感。 该传感器的臭氧检测范围为10-1000 ppb（十亿分之几）。 寿命长，成本低，灵敏度范围广，是传感器的一些特点。 传感器需要的测量电压源为lt;24 V，加热电压为5 V，与VOC传感器相同。 因此，为VOC传感器实现的5 V DC加热电压也用于臭氧传感器。

温湿度传感器RTH03是数字传感器，结构紧凑，功耗低，长期稳定。 传感器经过预校准，可直接连接到微控制器的数字输入和输出引脚，无需任何附加接口电路。 来自RTH03的输出信号是一个40位数据，在适当的工作单元中进行温度和湿度测量。

4传感器数据的最小二乘法校准

在传感器屏蔽中集成的五个传感器中，温度和湿度传感器RTH03是一个数字传感器，可以在0C和相对湿度（百分比％）中以适当的温度工程单位输出40位测量数据。传感器出厂前 校准。 然而，其他传感器，COz传感器MG811，VOC传感器TGS2602，CO传感器MQ7和臭氧传感器MQ131都将输出信号作为电压电平，而不是气体浓度单位的测量。 因此，传感器需要进行校准。

获得用于校准微气体传感器的适当设备非常昂贵，例如用于将气体浓度保持在固定水平的特殊室，用于产生气体的源以及用于测量实际气体浓度的参考仪器[21]。 因此，如本节所述，我们开发了

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[27699]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word