Design and Development of a Low-Cost, Portable Monitoring Device for Indoor Environment Quality
Akira Tiele, Siavash Esfahani, and James Covington
Abstract
This article describes the design and development of a low-cost, portable monitoring system for indoor environment quality (IEQ). IEQ is a holistic concept that encompasses elements of indoor air quality (IAQ), indoor lighting quality (ILQ), acoustic comfort, and thermal comfort (temperature and relative humidity). The unit is intended for the monitoring of temperature, humidity, PM2.5, PM10, total VOCs (times;3), CO2, CO, illuminance, and sound levels. Experiments were conducted in various environments, including a typical indoor working environment and outdoor pollution, to evaluate the unitrsquo;s potential to monitor IEQ parameters. The developed system was successfully able to monitor parameter variations, based on specific events. A custom IEQ index was devised to rate the parameter readings with a simple scoring system to calculate an overall IEQ percentage. The advantages of the proposed system, with respect to commercial units, is associated with better customisation and flexibility to implement a variety of low-cost sensors. Moreover, low-cost sensor modules reduce the overall cost to provide a comprehensive, portable, and real-time monitoring solution. This development facilities researchers and interested enthusiasts to become engaged and proactive in participating in the study, management, and improvement of IEQ.
Keywords IEQ; Low-cost sensors；Protable Monitor
Introduction
The indoor environment plays a critical role in our wellbeing due to the amount of time we spend indoors. The European Commission estimates that Europeans spend around 90% of their time in closed surrounds, mainly at home or in the workplace [1]. It is therefore unsurprising that our everyday surroundings have the power to drastically influence our health in a positive or negative way. Indoor environments can be two to five times more toxic than the outdoors [2]. For instance, up to 20% of Europeans suffer from asthma due to substances inhaled indoors. Tobacco smoke, asbestos, radon, and benzene released inside buildings have been identified as key contributors to the increases in EU cancer cases [1]. In 2014, the World Health Organization (WHO) announced that air pollution is the worldrsquo;s largest single environmental health risk, after an estimated 7 million people died (one in eight of total global deaths) in 2012 as a result of air pollution exposure [3]. Studies have linked indoor air quality (IAQ) to mental health and illnesses that are not easily noticeable in the short-term but could be major concerns in the long-term [4]. The vast majority of air pollution deaths are attributed to cardiovascular diseases, such as strokes, ischemic heart disease, and chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Moreover, new research has established a link between air pollution and increased mental illness in children. The results suggest that higher concentrations of air pollution, first and foremost from traffic, may increase psychiatric disorders in children and adolescents [5]. Air pollution is currently monitored by environmental or government authorities using static monitoring stations, which are equipped with instruments for measuring regulatory pollutants. The air pollutant analysers are relatively bulky, heavy, and expensive, with price ranges between euro;5000 and euro;30,000 [6]. A significant amount of resources are also required to routinely maintain and calibrate them [7].
The growing concern about IAQ has resulted in the development of various indoor environment quality (IEQ-) monitoring systems. IEQ is a holistic concept, encompassing elements of IAQ, indoor lighting quality (ILQ), acoustic comfort, and thermal comfort (temperature and relative humidity). Together with ventilation and airconditioning systems, these factors affect the health, comfort, and performance of occupants. The two most common methods of improving indoor air quality are increasing the ventilation rate, which in turn reduces air pollutants, and reducing the sources of pollutants directly [8]. Other approaches include replacing outdated appliances and introducing filtering systems. However, to identify sources of poor IEQ and evaluate the effectiveness of improvement strategies, chemical and physical monitoring is needed. Moreover, monitoring systems of this nature are needed for everyday users to become engaged and proactive in participating in the management and improvement of the environmental quality at home.
Recent developments to improve the monitoring of IEQ parameters include smart objects, which can manage and control the occupantrsquo;s surroundings. This involves “hacking” common objects, such as fans or desk lamps, to make them capable of carrying out smart operations to improve the comfort of the indoor environment [9]. Others have used gas sensors to construct a miniature electronic nose (eNose), which can detect poisonous organic vapours indoors [10]. Combining multiple sensors into one unit means for more broadly assessing conditions relating to adverse health effects, such as hazardous gaseous substances, and conditions more affecting the comfort and well-being of residents or workers. Many of these parameters are interesting when considering the development of “smart homes” and a higher level of automation regarding household appliances.
A number of EU-funded projects, including SENSIndoor, EuNetAir, and IAQSense, have focused on realising selective, low-ppb measurement low-cost gas sensors, with quite promising results. The outcomes of these projects include novel sensor systems, real-time monitors, VOC sensor systems, preconcentrators, air quality modelling
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低成本，便携式室内环境质量监测装置的设计与开发
摘 要
本文介绍了用于室内环境质量（IEQ）的低成本便携式监控系统的设计和开发。IEQ是一个整体概念，包括室内空气质量（IAQ），室内照明质量（ILQ），声学舒适度和热舒适度（温度和相对湿度）等元素。该装置用于监测温度，湿度，PM2.5，PM10，总VOCs（times;3），二氧化碳，一氧化碳，照度和声级。实验在各种环境中进行，包括典型的室内工作环境和室外污染，以评估该单元监测IEQ参数的潜力。开发的系统能够成功地根据特定事件监控参数变化。设计了一个自定义IEQ索引，用一个简单的评分系统对参数读数进行评级，以计算整体IEQ百分比。相对于商业单元，所提出的系统的优点与更好的定制和灵活性相关联，以实现各种低成本传感器。此外，低成本传感器模块可降低总体成本，从而提供全面，便携和实时的监控解决方案。该开发设施研究人员和感兴趣的爱好者将积极参与IEQ的研究，管理和改进。
关键词 室内环境质量；低成本传感器；便携监测
- 介绍
室内环境对我们的健康起着至关重要的作用。欧盟委员会估计，欧洲人将大约90％的时间花在封闭的环境中，主要是在家中或工作场所[1]. 因此，我们的日常环境能够以积极或消极的方式对我们的健康产生巨大影响，这并不令人惊讶。室内环境的毒性比室外环境高2到5倍[2]. 例如，由于吸入室内物质，高达20％的欧洲人患有哮喘。建筑物内释放的烟草烟雾、石棉、氡和苯已被确定为欧盟癌症病例增加的主要原因[1]. 2014年，世界卫生组织（WHO）宣布空气污染是世界上最大的单一环境健康风险，2012年因空气污染暴露导致约700万人死亡（占全球总死亡人数的八分之一）[3]. 研究已将室内空气质量（IAQ）与精神健康和疾病联系起来，这些疾病在短期内不易察觉，但可能是长期的主要担忧[4]. 绝大多数空气污染死亡归因于心血管疾病，如中风，缺血性心脏病和慢性阻塞性肺病（COPD）。此外，新研究已将空气污染与儿童精神疾病增加联系起来。结果表明，较高浓度的空气污染，首先是交通，可能会增加儿童和青少年的精神疾病 [5]. 目前，环境或政府部门使用静态监测站监测空气污染，静态监测站配备有用于测量监管污染物的仪器。空气污染物分析仪体积较大，重量大，价格昂贵，价格在5000欧元到30,000欧元之间[6]. 还需要大量资源来定期维护和校准它们[7].
对IAQ的日益关注使得各种室内环境质量（IEQ）监测系统的发展。IEQ是一个整体概念，包括IAQ，室内照明质量（ILQ），声学舒适度和热舒适度（温度和相对湿度）。这些因素与通风和空调系统一起影响乘员的健康，舒适和性能。改善室内空气质量的两种最常用方法是提高通风率，从而减少空气污染物，直接减少污染物来源[8]. 其他方法包括更换过时的设备和引入过滤系统。但是，为了确定不良IEQ的来源并评估改进策略的有效性，需要进行化学和物理监测。此外，日常用户需要具有这种性质的监控系统，以积极参与管理和改善家庭环境质量。
最近改进IEQ参数监测的发展包括智能物体，其可以管理和控制乘员的周围环境。这涉及“黑客”常见物体，如风扇或台灯，使他们能够进行智能操作，以改善室内环境的舒适度[9]. 其他人使用气体传感器来构建微型电子鼻（eNose），可以检测室内有毒有机蒸气[10]. 将多个传感器组合成一个单元意味着更广泛地评估与不利健康影响有关的条件，例如有害气体物质，以及更多影响居民或工人的舒适和福祉的条件。在考虑“智能家居”的发展和家用电器的更高自动化水平时，其中许多参数都很有趣。
许多欧盟资助的项目，包括SENSIndoor， EuNetAir和IAQSense，都致力于实现选择性低ppb测量低成本气体传感器，并取得了非常有希望的成果。这些项目的成果包括新型传感器系统，实时监测器，VOC传感器系统，预浓缩器，空气质量建模和标准化方法[11–13]。然而，这些要求更深入地理解传感器操作和读出，这不一定是通过现成的电子模块获得的。诸如多传感器平台（MSP）等项目已经成功地将各种传感器组合成微机械方法，以提供监测IEQ参数的新方法。这些发展可能会鼓励机构，研究人员和企业对IAQ相关研究的进步和趋势产生更大的兴趣。
还努力设计复杂的监测系统，利用人工神经网络（ANN）对影响IAQ的各种室内环境进行分类。[14].个性化移动传感系统也在不断发展，随着便携式室内位置跟踪传感器的发展，该传感器使用二氧化碳测量，来确定准确的个人接近度IAQ读数[15].
对于家庭和小型企业，商用空气质量监测设备种类有限，包括一些工业级设备和消费级应用设备。工业监视器倾向于以更高的精度测量各个参数。消费产品的价格从150英镑到100英镑不等，取决于他们的测量能力和功能。流行的“全能”产品，如Foobot（Airboxlab SAS，USA）和 Awair（Bitfinder，USA），可测量温度，湿度，VOC 和PM2.5。
这些产品不能为与IEQ相关的其他重要参数提供全面的监控解决方案。此外，这些设备不便携，因为它们需要持续连接到电源插头。因此，乘客仅限于监控易于到达的区域。最后，许多这些产品不提供实时读数。相反，会生成间歇性的每小时报告并将其发送到手机应用程序。实时读数对于疏散或空气净化系统的应用至关重要[16].
除个人监测设备外，还建立了一些以社区为主导的空气质量传感网络。突出的例子包括Air Quality Egg（Wicked Device，USA）和Smart Citizen Platform（Acrobotic Industries，USA）。该概念涉及支持Wi-Fi的硬件，其充当用于测量和共享IEQ数据的网络节点。然后，用户可以使用电话应用程序跟踪他们的个人环境或登录平台以与更广泛的社区互动。虽然这种模型提供了一种有趣的大规模城市IEQ监测方法，但建立网络节点的成本对大多数家庭来说可能是无法承受的。每个Air Quality Egg售价280美元，为了提供全面的监控节点，必须花费1400美元[17]. 基于这些发现，本文提出的系统旨在降低综合单元的成本，为IEQ提供便携式实时监控解决方案。此外，它还提供了如何使用现有市售传感器构建单元的详细信息。
2. 材料和方法
在过去几年中，随着中国雾霾程度的上升，PM2.5（颗粒物直径小于2.5微米）和挥发性有机化合物（VOCs）已成为室内空气质量的关键指标。但是，监测IEQ还涉及各种参数。以前对IAQ系统的研究通常针对二氧化碳，臭氧，一氧化碳，氧气，二氧化氮、温度和湿度[14]
监测室内污染物的方法通常使用单独的传感器或传感器卡或设计定制的片上系统（SoC）。传感器卡无法提供选择全面传感器组合所需的灵活性。此外，定制IEQ SoC与极高的设计和制造成本相关联。生产技术和成本通常与所需的生产量密切相关。研究小组或感兴趣的爱好者不太可能为小批量开发项目生产定制SoC。
因此，大多数研究系统使用第一选项，由此将各个传感器组装成系统。在某种程度上，这可以被认为类似于电子鼻（所谓的eNose）。在我们的例子中，这种方法也用过。
目的是设计一个能够作为可充电和便携式装置运行的系统，通过低成本的传感器模块测量室内空气污染物。我们选择的传感器与微控制器开发板（羽毛M0）连接，以处理测量信号并实时确定IEQ状态。该系统旨在将原始数据存储到microSD卡上，以便进行后续处理和分析。这些值还会打印到低功耗OLED显示屏上，为用户提供持续的反馈。设备内部通风由微型风扇产生。为了提供最全面的IEQ参数监测，实施了十个传感器阵列。列表1给出了传感器和制造商。
为了提高传感器的灵活性，设计中融入了两个SPEC传感器，以实现某些系统修改。SPEC传感器系列具有相同的PCB占位面积，可根据应用需求更换传感器。因此，一氧化碳和IAQ传感器可以换成其他6种传感器，如臭氧，二氧化氮，二氧化硫，硫化氢，呼吸酒精和呼吸道刺激物。
IEQ监控单元内部署了三个TVOC传感器。它们基于 MEMS金属氧化物半
导体（MOS）传感技术，通过将二氧化碳读数与测量的TVOC水平相关联来运行。二氧化碳被广泛用作室内空气质量的量度，因为人们是室内环境中二氧化碳 的主要来源。算法用于直接将二氧化碳与TVOC水平相关联。这种方法的局限性在于任何二次或意外的VOC来源都可能导致错误的读数。这些传感器的开发旨在取代楼宇自动化和供暖，通风和空调应用中更昂贵的NDIR传感器。然而，二氧化碳传感器的成本正在快速下降。虽然这些传感器因其精度不足而闻名，但可以在eNose方法中使用多个传感器来获取有关不同VOC污染物的更多信息。
传感器模块名称，测量范围，如表格2总结。IEQ监控设备的系统框图如图1所示。
原型的制造和组装分两个阶段完成。使用Altium Designer（Altium，USA）创建了一个定制PCB，基于图中所示的系统图1。此后，将PCB放置在电子设备外壳内并连接到其他内部组件，例如风扇和显示器。免费的PCB设计工具，如Eagle（Autodesk，USA），也可以被感兴趣的爱好者用来设计适合他们需求的PCB。装配阶段如图所示2。
传感器模块的成本低于150英镑。随着电子外壳，微控制器，microSD卡读卡器，实时时钟和OLED显示器的加入，每单位硬件成本约为200英镑。传感器系统由商业原型板组成，只需将其插入PCB即可。这使研究人员和感兴趣的爱好者可以轻松复制类似的设置。以下部分讨论了各个传感参数及其对IEQ的各自影响。
2.1 温度和湿度
英国/欧盟和美国法律没有规定工作场所的最低或最高温度，但是通常建议至16°C[18]. 此外，世卫组织建议将24°C作为舒适工作的最高温度[19].相对湿度非常低或相对湿度都会导致身体不适，因为空气的相对湿度直接影响温度感知[20].非常低（低于20％）的相对湿度也会引起眼睛刺激[21]. 高湿度环境在空气中有大量蒸气，这可以防止汗液从皮肤中排出，因此应该避免[22]. 相对湿度在40％到70％之间不会对热舒适性产生重大影响。但是，超过此阈值的湿度会增加呼吸道感染和过敏的发生率[20]. 结合高温，室内湿度水平也会导致霉菌的增长。
表1：部署在IEQ监视单元中的传感器
产品 类型 制造商 工作原理
SHT31 温度和湿度 Sensirion CMOS技术
HPMA115S0 颗粒物 Honeywell 激光光散射
CCS811 Total VOC (TVOC1) AMS 金属氧化物气体传感器
iAQ-Core C Total VOC (TVOC2) AMS 微加工MOS技术
MiCS-VZ-89TE Total VOC (TVOC3) SGXSensortech MOS技术
T6713 二氧化碳 Amphenol 非分散红外（NDIR）
LLC 110-102 一氧化碳 SPEC Sensors 安培气体传感器
LLC 110-801 室内空气质量 SPEC Sensors 安培气体传感器
TSL2561 照度（光线） TAOS 红外响应光电二极管
Adafruit #1063 麦克风 Adafruit 带放大器的驻极体麦克风
表2：传感器模块名称，测量范围和精度
类型 模块 测量 精度
温度 SHT31 minus;40 to 125°C plusmn;0.3°C
湿度 SHT31 0–100% plusmn;2%RH
PM2.5/PM10 HPMA115S0 0–1000 mu;g/m3 plusmn;15%
Total VOC
(TVOC1) CCS811 0–1200 ppb N/A
Total VOC
(TVOC2) iAQ-core C 125–600 ppb N/A
Total VOC
(TVOC3) MiCS-VZ-89TE 0–1000 ppb N/A
二氧化碳 T6713 0–5000 ppm plusmn;25 ppm
一氧化碳 LLC 110-102 0–1000 ppm plusmn;2ppm
室内空气质量 LLC 110-801
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