Monitoring Indoor Air Quality for Enhanced Occupational Health

Abstract

Indoor environments are characterized by several pollutant sources. Because people spend more than 90% of their time in indoor environments, several studies have pointed out the impact of indoor air quality on the etiopathogenesis of a wide number of non-specific symptoms which characterizes the “Sick Building Syndrome”, involving the skin, the upper and lower respiratory tract, the eyes and the nervous system, as well as many building related diseases. Thus, indoor air quality (IAQ) is recognized as an important factor to be controlled for the occupantsrsquo; health and comfort. The majority of the monitoring systems presently available is very expensive and only allow to collect random samples. This work describes the system (iAQ), a low-cost indoor air quality monitoring wireless sensor network system, developed using Arduino, XBee modules and micro sensors, for storage and availability of monitoring data on a web portal in real time. Five micro sensors of environmental parameters (air temperature, humidity, carbon monoxide, carbon dioxide and luminosity) were used. Other sensors can be added for monitoring specific pollutants. The results reveal that the system can provide an effective indoor air quality assessment to prevent exposure risk. In fact, the indoor air quality may be extremely different compared to what is expected for a quality living environment. Systems like this would have benefit as public health interventions to reduce the burden of symptoms and diseases related to “sick buildings”.

Keywords

Indoor air quality, Occupational health ,Air quality monitoring, Sick buildings ,Wireless sensor network ,ZigBee ,Gas sensors

This article is part of the Topical Collection on Mobile amp; Wireless Health

Introduction

Indoor environments are characterized by several pollutant sources and health problems related to poor indoor air quality have reached increasing importance in the last years [1]. Besides, the concentration of indoor air pollutants seems to be 2–5 times higher than the concentration of outdoor pollutants [2, 3]. Furthermore, according to the United States Environmental Protection Agency [3], human exposure to indoor air pollutants may occasionally be more than 100 times higher than outdoor pollutant levels, because a homersquo;s interior accumulates and concentrates pollutants given off by finishes, furnishings and the daily activities of the occupants [4]. Actually, indoor air pollutants have been ranked among the top five environmental risks to public health. Thus, indoor air quality (IAQ) is recognized as an important matter to be addressed for the occupantsrsquo; health and comfort. This issue is even more important if we take into consideration that, today, most people spend more than 90% of their time in artificial environments [1].

In 1983, the World Health Organization (WHO) used the term “Sick Building Syndrome” (SBS) to the clinical features that we could find in building occupants as a result of the indoor air pollution [2]. Several studies have highlighted the impact of indoor air quality in the etiopathogenesis of many non-specific symptoms and clinical findings that characterize SBS. The clinical picture of this syndrome is wide as it may involve the skin (with xerosis, pruritus), the upper and lower respiratory tract (such as, dysphonia, dry cough and asthma), the eyes (ocular pruritus) and the nervous system (for example, headache and difficulty in concentration) [5, 6].

Moreover, besides the signs and symptoms of this syndrome, there are diseases which may be associated with indoor environments, namely, Legionnairersquo;s disease, extrinsic allergic alveolitis, asthma and atopic dermatitis [5, 6]. For instance, concerning atopic dermatitis, it is a chronic and inflammatory skin disease and one of the most common allergic diseases in children. Its incidence is increasing and, although it is associated with genetic factors, there is strong evidence of a role for environmental factors, namely indoor air pollutants. This is particularly important in industrialized countries, where children spend most of their time indoors [7]. Among the air pollutants linked with the exacerbation of atopic dermatitis are the volatile organic compounds [8], which are conside

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检测室内空气质量以改善职业健康

摘要

室内环境具有多种污染源。由于人们有90%的时间都处于室内环境中，多项研究指出了室内空气质量对多种非特异性病状病因的影响，这些“病态建筑综合征”的症状包括皮肤、上下呼吸道、眼睛和神经系统以及许多与建筑相关的疾病。因此，室内空气质量(IAQ)被认为是控制居住者健康和舒适的重要因素。目前可用的大多数监测系统都非常昂贵，只能收集随机样本。本工作描述了一种低成本室内空气质量(IAQ)监测无线传感器网络系统，该系统使用Arduino、XBee模块和微型传感器开发，用于在门户网站上实时存储和提供监测数据。使用了环境参数(空气温度、湿度、一氧化碳、二氧化碳和亮度)的五个微型传感器。可以添加其他传感器来监控特定的污染物。结果表明，该系统能够提供有效的室内空气质量评价，防止暴露风险。事实上，室内空气质量与人们对高质量生活环境的期望相比可能大不相同。像这样的系统有利于公共卫生干预，以减少与“病态建筑”相关的症状和疾病的负担。

关键词

室内空气质量，职业健康，空气质量监测，建筑病，无线传感器网络，紫蜂(ZigBee)，气体传感器

这篇文章是移动和无线健康专题收藏的一部分。

介绍

室内环境的特点是有几个污染源，与室内空气质量差有关的健康问题在过去几年里变得越来越重要^[1]。此外，室内空气污染物的浓度似乎比室外污染物的浓度高2-5倍^{[2, 3]}。此外，根据美国环境保护署^[3]，人类接触到的室内空气污染物有时可能比室外污染物水平高出100多倍，因为一个家庭的内部积累和集中了装修、家具和居住者日常活动释放出的污染物^[4]。事实上，室内空气污染物已经被列为公众健康的五大环境风险之一。因此，为了居住者的健康和舒适，室内空气质量(IAQ)被认为是一个重要的问题。如果我们考虑到今天绝大多数人90%以上的时间都在人工环境中度过，这个问题就更重要了^[1]。

1983年，世界卫生组织(WHO)将“病态建筑综合症”(SBS)一词用于临床特征，我们可以在建筑物居住者身上发现这是室内空气污染的结果^[2]。几项研究已经强调了室内空气质量在许多非特异性症状的病因和表征SBS的临床发现中的影响。该综合征的临床表现广泛，因为它可能涉及皮肤(伴有干燥症、瘙痒)、上呼吸道和下呼吸道(如发音困难、干咳和哮喘)、眼睛(眼部瘙痒)和神经系统(如头痛以及注意力难以集中^{)[5, 6]}。

此外，除了该综合征的体征和症状外，还有一些可能与室内环境有关的疾病，即退伍军人症、外源性过敏性肺泡炎、哮喘和特应性皮炎^{[5, 6]}。例如，关于特应性皮炎，它是一种慢性炎症性皮肤病，也是儿童最常见的过敏性疾病之一。它的发病率正在增加，尽管它与遗传因素有关，但有强有力的证据表明是由于环境因素，即室内空气污染物的作用。这在工业化国家尤其明显，因为那里的孩子大部分时间都待在室内^[7]。在与特应性皮炎恶化相关的空气污染物中，挥发性有机化合物^[8]被认为是室内空气中最常见的污染物^[6]。从全球来看，在特应性皮炎中，室内空气污染物可能诱发氧化应激，导致皮肤屏障功能障碍或免疫调节障碍^[8]。

因此，与“病态建筑”相关的症状和疾病是一个在公共卫生中越来越重要的问题，并且还与较低的生产率和较高的缺勤率相关联。SBS和建筑相关疾病的病因可能包括化学污染物(来自室外和室内)、生物制剂、心理因素、电磁辐射、缺乏阳光、湿度、不良声学、不良人机工程学和通风不良^[6]。

通过调节室内空气参数，例如空气温度、相对湿度、气流和空气中化学物质的浓度，建筑物使用通风的方式，以创造具有可接受的室内空气质量(IAQ)的热舒适环境^[9]。研究得出最适合于被占区域内的气流模式和污染物颗粒输送的数值解。因此，许多研究者通过数值模拟研究了气流和污染物浓度的作用方式。例如，Pitarma等人^[9]提出的一些通过混合通风对通风房间中污染物扩散的数值预测。

室内空气质量评估系统有助于局部式和分布式评估对于安全(气体泄漏检测、污染监控)和安全应用以及有效控制供暖、通风和空调(暖通空调)系统以提高能效具有重要意义^[10]。事实上，在建筑环境中测量的室内空气质量为建筑自动化系统的无缝控制提供了连续的信息流，并为明智的决策提供了平台^[11]。然而，目前可用的监测系统通常非常昂贵，并且只允许收集随机样本。

最近，已经开发了几个用于监测环境参数的新系统，总的目标是提高室内空气质量效率^[12]。事实上，廉价、低功耗和微型嵌入式处理器、无线电、传感器和执行器(通常集成在单个芯片上)的出现，正导致无线通信和计算在诸如空气质量控制^[13]等应用中用于与物理世界交互。^[11]一种无线室内空气质量监测被提议，以便为辅助生活提供实时信息。提议的系统有二氧化碳、一氧化碳、丙烷和甲烷传感器。另一项涉及无线传感器网络用于室内空气质量监测的研究也被[14]提出^[14]，该研究还将ZigBee用于无线通信，并监测湿度、温度和二氧化碳参数。

本研究描述了作者开发的室内空气质量(IAQ)系统，该系统旨在自动、准确且实时地确保不同建筑房间的室内空气质量监测。该系统由一个低成本室内空气质量监测无线传感器网络系统组成，该系统使用Arduino、XBee模块和微型传感器开发，用于在门户网站上实时存储和提供监测数据。该系统从不同的地方同时采集五个环境参数(空气温度、湿度、一氧化碳、二氧化碳和光度)。可以添加其他传感器来监控特定的污染物。目前，在初步实验室测试中，只使用了两个远程模块。

技术解决方案

执行计划

室内空气质量系统是一个自动室内空气质量监测系统，它允许用户(如房产经理)实时了解各种环境参数，如空气温度、相对湿度、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和亮度。可以添加针对特定污染物的其他传感器。 使用室内空气质量传感器系统监控参数，该系统收集数据并将其发送到室内空气质量网关系统，该系统使用PHP开发的网络服务将数据记录在MySQL数据库中(图1)。

图1室内空气品质WSN体系结构

最终用户可以从建立在PHP中的门户网站iAQ网站上访问数据。登录后，最终用户可以访问室内空气质量网络，并获得所有关于环境参数的信息。监控数据以数值或图表形式显示。该门户还允许用户保存参数历史。该系统提供了变化的历史，帮助用户精确和详细地分析空气质量反应。这对于决定可能的干预措施以改善建筑内的空气质量非常重要。室内空气质量网络还配备了一个强大的警报管理器，当某个特定参数超过最大值时，它会向用户发出通知，如图2所示

图2室内空气质量网络警报系统

最大和最小健康质量值由系统预定义，但是用户也可以将该值更改为特定的建议。当某个值超过定义的阈值时，将通过电子邮件实时通知用户该值。该功能使用户能够实时行动，确保室内环境的良好通风。由室内空气质量传感器收集的数据在被插入数据库之前被分析，如果数据超过参数化的限制，用户自动接收电子邮件，如图3所示。

图3室内空气质量网络警报体系结构

无线传感器网络架构

无线通信是使用实现IEEE 802.15.4无线电和ZigBee网络协议^[15]的XBee模块来实现的。IEEE 802.15.4标准规定了低数据速率无线个人区域网的物理和介质访问控制层。ZigBee是一种基于802.15.4 ^{[16, 17]}的低成本、低功耗无线网状网络标准。

通信信号使用XBee从室内空气质量传感器传输到基站室内空气质量网关。这些模块工作在2.4千兆赫的频带内，室外射频视线范围高达4000英尺(1200米)和250，000 bps的射频数据速率。这些模块使用IEEE 802.15.4网络协议来实现快速点对多或点对点的网络。它们专为要求低延迟和可预测通信时序的高吞吐量应用而设计。XBee模块是低功耗、低成本应用的理想选择。XBee-PRO模块是XBee模块的功率放大版本，适用于大范围应用^[18]。

使用ZigBee通信的一个重要优势是，我们可以有许多室内空气质量(IAQ)传感器(在图2中用蓝色圆圈表示)来收集室内空气质量数据，并且只有一个室内空气质量网关必须连接到互联网(在图2中用红色圆圈表示)，因为Zigbee具有高达50米的室内射频视线范围。这在某些情况下是非常必要的，在这种情况下，不再需要在住宅的所有区域进行无线网络覆盖，而只需要在室内空气质量(IAQ)网关的位置进行互联网连接。图3展示了室内空气品质系统实施的示意图。

图3展示了实施室内空气质量系统的实验。出于测试目的，对瓜达尔(Guarda)理工学院技术与管理学院的两个不同教室进行了监控。如图3所示，使用了两个室内空气质量传感器模块，一个室内空气质量网关模块放置在走廊上。所有模块都由电网供电，使用230伏至5伏的交直流2A电源。室内空气质量数据收集了3个月，表明在某些条件下，空气质量值明显低于那些被认为是对居住者健康的值。

硬件和系统架构

室内空气品质系统由一个或几个室内空气品质传感器组成。它们用于收集和转移安装它们的不同房间的环境因素。室内空气质量传感器将数据发送到室内空气质量网关(图4)，该网关通过Arduino以太网屏蔽连接到互联网，用于在数据库中记录数据。

图4测试系统安装示意图

因此，可以构建一个能够同时监控一个或多个空间的模块化系统。图5示意性地说明了室内空气品质中使用的系统架构。

图5 iAQ网关架构

室内空气质量(IAQ)传感器采用嵌入式Arduino Mega系统构建，这是一个开源平台，集成了Atmel AVR微控制器^{[19, 20]}。为了允许室内空气质量传感器和室内空气质量网关之间的通信，通过使用Xbee模块应用了ZigBee技术。 室内空气质量传感器配备有多个传感器、一个处理单元(Arduino MEGA)和一个无线通信和网状网络模块，如图6所示(另见^[21])。目前，室内空气质量传感器配备有五个传感器(图7):空气温度、相对湿度、一氧化碳、二氧化碳和光度。

图6室内空气品质系统架构

图7室内空气质量传感器架构

下面简要介绍了所使用的传感器。表1描述了集成在室内空气品质系统中的组件的成本。

表1室内空气品质系统的组成价格

传感器SHT 10——它是一个低功耗、稳定且完全校准的相对湿度和温度传感器^[22]；测量范围:0–100%(湿度)，－40 Cthinsp;~thinsp;120 C(温度)；准确度: plusmn;4.5%(湿度)，plusmn;0.5℃(温度)；响应时间小于30seg(8s)。

MQ7传感器——它是一种高灵敏度一氧化碳(一氧化碳)传感器，具有^[23]的多种特性:高灵敏度、快速响应、宽检测范围(20至2000 ppm)、性能稳定、寿命长、驱动电路简单；需要手动校准。

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