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基于ISO / IEC / IEEE 21451标准的空气质量监测系统
Kgoputjo Simon Elvis Phala，Anuj Kumar和Gerhard P. Hancke，IEEE高级会员
摘要 - 介绍了一个基于IEEE / ISO / IEC 21451标准的空气质量监测系统（AQMS）。 在AQMS的开发中，我们使用了GSM无线通信模块。 开发的系统能够实时测量空气污染气体，如CO\，CO，NO\和SO\。 空气质量监测站和PC与汇聚节点的机器到机器通信成功实施。 对系统进行了各种气体传感器技术评估，最终使用了电化学和红外传感器。 设计和实施AQMS的硬件和软件。 AQMS使用一系列传感器来测量周围的环境空气，并将数据无线传输到基站。 开发了一个图形用户界面（GUI），它使最终用户能够轻松地与系统进行交互。 气体浓度值绘制在GUI上。 在过渡期间对仪器进行了定义的校准，确保了所需的精确度得以维持。 本文进一步阐述了在早期研究中提出的设计争议。
索引词 - 空气质量监测，GSM模块，传感器阵列，图形用户界面，ISO / IEC / IEEE 21451标准。
一．介绍
过去半个世纪以来，越来越多的自然灾害如暴雨，季风，全球变暖，泥石流等，造成对流层地区温室气体浓度上升[1]。 温室气体也是从燃烧和清除热带森林的化石燃料中释放出来的[2]。 温室气体水平对人的生命带来严重威胁，导致肺癌，哮喘，冠状动脉感染，肺炎，慢性支气管炎等肺部感染病例数急剧增加[3]。 大多数发达国家一直在人口密集地区或城市外部开发空气质量和天气（温度和湿度）监测站，以防止空气质量带来的不利影响。
手稿于2015年11月24日收到; 2016年4月5日修订; 公认
2016年4月11日。发布日期2016年4月21日; 当前版本的日期2016年5月17日。这项工作得到了比勒陀利亚大学的支持。 负责协调本文审查并批准发表的副主编是Tarikul Islam教授。KSE Phala与比勒陀利亚大学比勒陀利亚分校0002南非电子，电子和计算机工程系（电子邮件：ksephala@gmail.com）合作。A. Kumar与南非比勒陀利亚0002比勒陀利亚大学电气，电子和计算机工程系以及印度Roorkee 247667科学和工业研究委员会 - 中央建筑研究所（电子邮件： anuj.kumar@up.ac.za）。GP Hancke先生是香港城市大学计算机科学系和南非比勒陀利亚0002比勒陀利亚大学（电子邮件：gp.hancke@cityu.edu.hk）。
数字对象标识符10.1109 / JSEN.2016.2555935
这些空气质量监测站大多使用原始的空气质量监测方法，如采集空气样本和分析实验室的样本。这些方法是可靠的，但是效率低且昂贵。 基本上可以使用光谱仪和气相色谱仪等分析仪器，但它们与原始方法有相同的缺点，而且它们也需要熟练的专业人员操作。我们需要一个全面的方法来实时监测空气质量，以减少气候变化的影响。 据此，在生活质量的背景下，空气中温室气体的监测正变得越来越重要[4]，[5]。 近年来，智能传感器 - 执行器网络在仪器的扩展方面发挥了重要作用，我们最近着手使用智能传感器和空气质量测量标准[6]，[7]。 环境监测系统主要由监测节点，智能设备协调节点（PC /智能手机）和某种执行器三部分组成[8,9]。在[10] - [12]中报告了环境空气污染参数的监测处理器，如O\，CO，NO\和SO。监测处理器基于气体传感器阵列，传感器的信号处理以及传感器 - 执行器接口功能。 他们使用半导体传感器阵列。 在[13]中提出了用于测量空气质量的空调系统的气体鉴别。他们解释了通过网络投射数据的情况。Jelicic等人提出了借助无线传感器网络和红外气体传感器监测空气质量参数的方法。 他们还解释了降低传感器，网络和节点功耗的技术[14]。 陈等人开发了基于智能手机的挥发性有机化合物监测系统 他们还提出了一种用于监测挥发性有机化合物的单一集成无线设备[15]。 Chung等人 提出了一种利用无线传感器网络对房间环境进行远程监控的方法。 他们还连接个人数字助理（PDA）和个人电脑[16]。 Kan等人开发了基于无线传感器网络（WSN）的环境监测系统（EMS）。 GPS模块用于系统的开发。 带有无线传感器网络的GPS系统在偏远地区的位置提供信息，它们专注于功耗，移动通信和数据传输的不可移动性[17]。 库马尔等人为建筑环境开发了一种低成本的舒适感应系统。 他们提出通过空调和机械通风实时监和控制空气质量和热舒适参数[18]。kuakille等人建议一种用于监测挥发性有机化合物的认知无线传感器网络方法，以及半导体传感器阵列[19]。 [20]中探讨了功率降低技术节点和通信水平。 在[21]中报告了基于GPRS传感器阵列的空气污染监测技术。 值得一提的是，这样一个系统的商业化需要做许多工作。 在[22]和[23]中报道了基于无线传感器网络的环境中有毒化合物的实时监测。 [24]中介绍了一个用于太阳辐射远程监测和分析的数据采集系统的设计和操作。 上述现有系统中的大多数都受到几个缺点的影响，因此不断追求修正。 这些问题包括：高平台成本，气体传感模块的干扰，增强的准确性，便携性，易于操作，服务器的数据存储容量，传感节点中的数据存储容量，商业系统的实时监控，改进抗噪声能力，最重要的是数据传输和机器对机器通信的问题。 在设计低成本，便携性，自动数据传输，服务器数据存储，机器对机器通信时，需要多学科的方法。
本文介绍了一种符合ISO / IEC / IEEE 21451标准的环境空气监测空气质量监测系统。 它具有几个先进的功能，如操作简单，成本低廉，响应速度快，科学可接受的准确性。 该系统适用于国家空气监测网，城市空气监测网，工业污染监测，路边空气监测，环境影响评估，短期热点，运动校园，游乐场或体育场污染监测等。
二．ISO/IEC/IEEE 21451家族
ISO / IEC / IEEE 21451标准是一系列的标准，作为ISO / IEC / IEEE 21451-1,2,4和7是可互操作的。 他们一直在探索设备中传感器独立接口（TIM）的实施标准，并提出了传感器电子数据表（TEDS）的格式标准。 他们还探索用于在系统中读取和写入数据以及控制TIM的命令。定义应用程序编程接口（API）以促进TIM与对象（系统）之间的通信。ISO / IEC / IEEE 21451-1定义了一种智能传感器对象模型（STOM）和通信方法，以促进网络中智能传感器（ST）的访问。ISO / IEC / IEEE 21451-2定义了将换能器模块连接到网络的串行接口。ISO / IEC / IEEE 21451-4定义了一种混合模式传感器接口，允许在同一根电线上传输数字传感器电子数据表和模拟传感器信号。IEEE / ISO / IEC 21451标准信息的细节在[25]中提出。
- 系统总览
空气质量监测系统分为两部分， 首先是远程空气质量基站，其次是带PC的汇聚节点。 远程空气质量基站进行空气质量测量并通过汇聚节点将数据无线传输到服务器，
服务器通常是PC或笔记本电脑。
图1. AQMS的系统结构
图2空气质量监测站的硬件基础设施图
GSM模块用于基站和汇聚节点之间的无线通信。 图1表示开发的空气质量监测系统。 开发的空气质量监测（AQM）系统可用于实时测量CO\，CO，NO\和SO\等温室气体的质量。
两个子系统都进一步分解并彼此独立实施。 远程空气质量基站硬件系统选用单一电源设计。 使用单电源消除了对负电压的需求，并且还降低了传感器节点消耗的功率。 图2和图3分别表示远程AQM站的硬件基础设施和照片。 AQM站由电池供电。 电池电压被调节以产生恒定的5V。使用两个调节器，一个用于为GSM模块供电，另一个用于为传感器阵列的其余部分供电。
- 传感器阵列
传感单元是一组称为传感器阵列的传感器[7]，[26]。 市场上有五种类型的气体传感器，即电化学，红外，半导体，
图3.空气质量监测站的照片
表一
传感器用于AQM站的开发
催化珠和光电离。 我们根据精度和低功耗等性能参数选择了传感器。 在AQM站的开发中，电化学和红外气体传感器与其他系统相比表现更好。 这些传感器对目标气体也非常有选择性。
表I中总结了所用传感器的特性：
-
- 电化学CO，SO\和NO\传感器：我们使用SGX Sensor Tech的CO，SO\和NO\三种电化学传感器，它们都使用相同的信号调理电路，根据不同的测量范围和不同的传感器灵敏度调整增益。 传感器的设计电路如图4所示。电化学传感器的优点和缺点在[9]和[10]中有报道。
随着气体浓度的变化，感应电极（S）处的电位因其表面发生化学反应而发生变化。 这可能会导致不正确的测量。 使用一个基本的恒电位电路使感测电极相对于参比电极（R）保持恒定的电位。 我们在恒压电路模式下使用了放大器（A1）。 运算放大器（A1）平衡感测电极所需的电流并将电流提供给对电极（C）。 U4的输出是输入到A1的同相端以提供偏移。 将该输入与来自参考电极的反相端子上的输入进行比较，并将该差值放大并馈送到反电极中。 恒电位电路的反馈配置可以作为参考
图4.电化学传感器的信号调理电路
而感应电极非常接近U4的输入电压。 理想情况下，没有电流应该从参比电极流出，但事实并非如此，所以A1被选择为具有非常小的输入偏置电流，小于5 nA。 ADI公司的AD820使用的典型输入偏置电流为2 pA。 改进的单电源设计要求将接地节点移至2.5 V，这意味着参考电压也必须改变以遵循该电压。
当输入打开时，电阻R\和R\可以保护A1免受静态高压冲击。 它们的值被选择为高，以便它们限制从参考电极吸取的电流量。 包括R\和C\以增加稳定性和降低噪音。 即使电源关闭，参考电极和感应电极之间的电位也需要保持相等。 这样当打开电源时传感器会很快稳定下来，否则传感器需要几个小时才能稳定下来。 为此，使用短路FET晶体管（J177）。 当电源开启时，晶体管作为开路，A1负责保持感应电极与参考电极的电位相同。 当电源关闭时; 晶体管起到连接感测电极和参考电极并提供零偏置电压的短路的作用。 传感器的输出电流使用互阻抗放大器转换为电压。 传感器输出电流非常低，运算放大器A2用于放大传感器输出电流。 在放大过程中，OP-AMP A2用于互阻抗配置。
R获得决定跨阻放大器放大传感器电流的增益。 R获得用于调整传感器的范围和灵敏度以符合系统的规格。 内部传感器电阻加负载电阻（R加载）和内部传感器电容组成RC电路。 如果为R加载选择了较大的值，则噪音会迅速降低，但响应时间会增加。 如果选择R加载的较小值，响应时间会减少，但噪音会增加。 因此，R加载的选择是快速响应时间和最佳噪声性能之间的折衷。 可变电阻
表二
开发的传感器模块参数
用于R获得和R加载以增加系统的灵活性。 传感器的输出会随时间而漂移，因此可调整R获得和R加载以保持输出恒定。 当系统中使用不同的传感器时，可以调整R获得和R加载的传感器的范围和灵敏度。 A2的非反相端通过一个小电阻R\连接到U4的输出，以获得所需的2.5V偏移。 传感器输出电压（V出）和气体浓度（C）之间的相关性可以表示为方程式：
C(ppm)=Pf*Vout （1）
1）其中Pf是比例因子,气体感应范围，功耗，增益和
表2给出了发达模块的比例因子.
2)红外CO2传感器：CO2使用非分散红外传感器（或NDIR传感器）进行测量。 测量CO2在百万分之一（ppm）范围内的替代技术很少。 传感器内的灯是红外辐射源。 辐射通过两个通道，并在另一侧使用高温探测器进行检测。 一个通道是参考通道，通过IR辐射而不改变它。 另一个通道是主动或感测通道。 目标气体吸收主动通道中的IR辐射，从而有效地衰减它。 两个高温探测器用于探测通过有效和参考通道的辐射。 火焰探测器的输出进行比较，差异与气体浓度有关。 火焰探测器的输出非常小，必须进行放大和滤波以消除噪音。 然后可以使用微控制器对输出进行采样。 必须确定输出的峰峰值才能计算气体浓度。 使用的传感器是SGX Sensor Tech的IR11BD。 图5显示了红外传感器的设计电路。
555定时器用于产生驱动传感器内部灯的4 Hz 50％占空比方波，
图5. CO2红外传感器的电路图
定时器由一个单独的9 V电池供电，以隔离来自灯的瞬态电流，并可以产生峰峰值等于其电源电压的所需波形。 传感器正常工作需要较高的峰峰值。 传感器的输出受温度影响。 随着温度的变
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