英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
一种高性价比的用于室内空气质量监测的无线传感器网络系统
A Cost-Effective Wireless Sensor Network System
for Indoor Air Quality Monitoring Applications
Sherin Abraham, Xinrong Lilowast;
Department of Electrical Engineering, University of North Texas, Denton, Texas, 76203, USA
摘要：室内空气污染已成为影响公共卫生的严重问题。室内空气质量监测系统有助于检测和改善室内空气质量。目前可用的监控系统非常昂贵。在本文中，我们利用Arduino，XBee模块和微气体传感器开发了一种低成本的室内空气质量监测无线传感器网络系统。我们开发的系统能够同时从不同地点收集六个空气质量参数。我们还开发了一种用于传感器校准和测量数据转换的线性最小二乘法估计方法。本系统和专业级的空气质量测量设备的测量结果对比，证明了本系统的性能和有用性。
关键词：Arduino;环境监测;室内空气质量;微型气体传感器;无线传感器网络。
1 引言
美国环境保护署（EPA）及其科学顾问委员会一直将室内空气污染列为环保公共卫生五大危害之一[1]。人类平均在室内花费大约90％的时间，使室内空气质量（IAQ）对公共卫生构成重大风险。空气质量不良可能导致疲劳和恶心以及慢性呼吸系统疾病，心脏病和肺癌等慢性疾病。据估计，在与病态建筑综合症相关，其具体描述为不良室内空气质量和在长期呆在室内表现出的急性亚健康和不适反应，美国的年度成本和生产力损失为10亿至200亿美元[1] [2]。
有许多因素使IAQ（室内空气质量）问题复杂化。首先，大多数现有的空气质量测量装置是为专业人士设计的。这样的系统是昂贵的，超出普通用户的经济承受范围。第二，空气质量差被人感受或感觉会极难; 因此，大多数人不能判断室内空气质量是否不好。出于同样的原因，大多数人都没有意识到我们日常生活中的一些活动会降低室内空气质量。另一方面，各种简单措施和常识可能有助于防止和解决许多室内空气问题。最近的一项研究表明，意识到目前室内空气质量水平，能激发人们改变行为，开展活动，提高空气质量[3]。第三，大多数人认为室内空气质量优于户外，而研究表明，室内污染物水平可能比户外高出二至五倍。过度使用空气清新剂和化学性质的家用清洁用品可能会降低室内空气质量。 因此，迫切需要一个广泛可用的室内空气质量监测系统，可以在提供直观的室内环境的空气质量。
常规室内空气监测通常限于利用二进制检测结果的烟雾和一氧化碳（CO）检测器以触发报警。一些先进的HVAC（加热，通风和空调）系统使用二氧化碳（CO2）传感器来控制通风。然而，一氧化碳探测器和二氧化碳传感器都不是室内空气质量的充分措施，因为室内空气污染物更多地影响公共卫生。另一方面，昂贵的专业级商业空气质量测量系统通常仅在问题出现时会有专业人员经过来进行点测试。大型建筑物的分隔空间呈现出极大不同的微气候条件，这需要与许多传感器节点分布式同步监测，以准确地表征整个建筑物空气质量状况的时空动态相关性质商业空气质量测量系统不是为此而设计的。 因此，在大型建筑物中进行实时监控需要一个经济实惠，能广泛使用的分布式IAQ（室内空气质量）系统。
在本文中，我们提出了一种使用Arduino，XBee模块和微型气体传感器开发的低成本无线IAQ（室内空气质量）传感网络系统。 我们开发的系统能够同时从不同地点收集六个空气质量参数。 我们还开发了用于传感器校准和测量数据转换的线性最小二乘算法。 通过比较我们系统的测量结果和专业级的空气质量测量设备来证明系统的性能和有用性。
本文的其余部分安排如下。 在第2节中，描述了整个系统架构。 然后，在第3节中详细介绍了传感器节点的设计。基于最小二乘的估计校准方法是在第4节中介绍。一些样品实验测量结果在第5节中给出，以说明设计的有用性。 最后，在第6节对全文进行了总结。
2 无线传感器网络系统设计
我们在此开发中采用的无线传感器网络系统的整体系统架构 如图1所示。这与我们之前开发的一样。 在图中展示出系统的主要组件包括传感器节点，基站，数据库和Web服务器。 基站周期性地从分布式传感器节点接收测量数据，然后将数据转发到数据库服务器进行存储和管理。Web服务器可以实现，为用户提供便利的Web界面来访问数据，并远程管理传感器网络系统。在本文中，我们仅关注传感器节点的开发，而基站，数据库和Web服务器以及Web界面的开发细节则需要另行发布。
图1.室内空气质量监测无线网络系统的整体系统架构
传感器节点的无线通信和网状网络能力可以通过使用Digi XBee模块实现[7]。XBee模块实现IEEE 802.15.4无线电通信和ZigBee网络协议，并且已经常用于无线感测和控制系统的快速原型设计。IEEE 802.15.4标准规定了低速率数据传输的无线个人区域网络中的物理层和数据链路层[5]。ZigBee是基于IEEE 802.15.4建立的低成本，低功耗，无线网状网络标准[6]。
XBee模块可以配置为三种类型的设备：协调器，路由器和终端设备。协调器有控制整个网络的能力。路由器可以在树状或网状网络拓扑中中继消息。 终端设备只能与协调器或路由器通信。网络中只能有一个协调器，路由器或终端设备的数量不受限制。理论上，协调器设备可以支持高达65,536个节点的网络，这仅限于单个节点的16位网络地址。XBee模块传感器节点配置为路由器或终端设备，而基站上的XBee模块配置为协调器。然后，网络中的所有XBee模块一起工作，形成网状网络拓扑ZigBee协议。
3 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2所示。处理单元是基于Atmega328的开源微控制器Arduino Uno开发板。如第2节所述，使用XBee实现无线通信模块。传感器屏蔽设计用于将多个传感器与其信号处理电路集成，屏蔽层直接插入Arduino板上的标准化扩展接口。
图2.（a）传感器节点的功能框图 （b）Arduino Uno微控制器板（c）Digi XBee模块
Arduino Uno上的微控制器是16 MHz的 Atmega328。它属于具有先进RISC架构的8位Atmel微控制器系列。其功能包括具有读写能力的32 KB闪存，1 KB EEPROM（电可擦除只读存储器），2 KB SRAM（静态随机存取存储器），23个通用I / O线（GPIO），32个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活定时器/计数器，内部和外部中断，串行可编程UART（通用异步收发传输器），双向串行接口，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5种可选择的省电模式。
模块的设计考虑了成本，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，有必要设计俩种类型的接口电路以来保护不同传感器。I型传感器屏蔽层具有CO2，VOC（挥发性有机化合物）以及温湿度传感器，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。I型有传感器屏蔽的传感器节点，如图3所示。
图3.具有CO2，VOC（挥发性有机化合物）和温湿度传感器的传感器节点
CO2传感器MG811是化学传感器。 其可检测的CO2浓度范围为350-10000ppm（百万分之一）。 它基于固体电解质电池原理工作。 当传感器暴露于二氧化碳气体时，会在电池中发生化学反应，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温度[10]。由于传感器的输出电压非常低（100mV〜600mV），因此需要进行放大，以提高测量精度。它还需要外部加热电源，因为微控制器无法满足其功率要求。因此，为该传感器开发信号处理和加热电路变得至关重要。
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。传感层与集成的加热器一起安装在感测芯片的氧化铝衬底上[11]。当传感器暴露于可检测的气体中时，传感器的电导率会增加。电导率的变化会产生与气体浓度相对应的输出信号。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，寿命长，电路简单，体积小，对恶臭气体的高灵敏度是该传感器的一些优点。由于传感器的输出范围为0 V至5 V，因此不需要特殊的放大电路。需要单独的加热电路来改善传感器性能。
CO传感器MQ7也是类似于VOC传感器的加热半导体传感器[12]。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。 在每隔2.5分钟的加热循环之后，信号测量通过负载电阻器进行输出。
臭氧传感器MQ131也是加热半导体传感器[13]。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。 它对臭氧高度敏感，对氯和二氧化氮（NO2）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。 该传感器需要小于24V的测量电压源和5V的加热电压源。为了满足传感器的加热功率要求，必须设计加热电路。
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。RTH03的输出信号是一个40位数据，温度和湿度测量值适以合宜的计算单位。
4 传感器数据校准的最小二乘算法
在传感器屏蔽层中集成的五个传感器中，温湿度传感器RTH03是一个数字传感器，可以以相对湿度（百分比）为单位，以适当的温度工程单位输出40位测量数据。 传感器出厂预先校准。 然而，其他传感器，CO2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。
获取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容器，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[8]。 因此，如本节所述，我们开发了一种简化的传感器校准方法，不需要在任何预定义的固定级别进行测量。
表1.使用LS估计方法从测量数据估计的线性转换模型参数
为了执行校准，将传感器节点放置在尺寸为24times;13.1times;16.8英寸的透明塑料密封容器中，以及专业级空气质量测量系统的传感器探头，即GrayWolf Direct Sense IAQ 610[9]。GrayWolf系统能够检测VOC，CO2，CO，臭氧，温度，相对湿度和露点温度。 然后，通过注入感兴趣的特定类型的气体来改变密封容器内的气体浓度。 然后使用下面描述的基于最小二乘算法，然后根据GrayWolf系统的数据对从被测传感器收集的数据进行校准。 由于所提出的校准方法不依赖于任何预定气体浓度水平下的测量，当压缩气体源不可用时，可以通过各种方法产生不同的气体浓度条件。 例如，纸的不完全燃烧产生CO，CO 2和其它挥发性化合物。 香水，煮好的咖啡，空气清新剂和家用清洁产品是VOC的典型来源之一。
由于传感器的电压输出信号随着CO2浓度的增加而降低，我们采用以下线性转换模型用于CO2传感器MG811：
（1）
其中y [n]和v [n]分别是时间步长为n的ppm和mV单位的测量数据，a和b是需要估计的未知参数。 当一组N个测量数据v [n]，1le;nle;N可用时，信号模型可以以矢量形式表示为
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[25658]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
