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一种低成本无线网络系统室内空气质量传感器的设计
Sherin Abraham 李欣荣
收到：2015年11月17号/接受：2016年1月21号/网络公布：2016年3月7号
施普林格科学 商业媒体纽约2016
摘要
一个室内空气质量监测系统对于检测并改善空气质量是很有帮助的。目前，这类能使用的监测系统十分的昂贵。在本文中，我们提出使用Arduino XBee模块、微气体传感器来开发一个低成本的室内空气质量无线传感器网络监控系统。这个系统能够同时从不同的地点采集六个空气质量参数。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。在本文中，我们详细地介绍了无线空气质量传感器节点的设计及其校准方法。我们的系统与专业级的空气质量测量装置的测量结果进行比较证明了我们的系统的性能和实用性。
关键字：环境监测、室内空气质量、微气体传感器、无线传感器网络
1介绍
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五大环境公共卫生风险之一。平均每个人要花费大约90%的时间在室内，室内空气质量差（IAQ）对公众健康造成巨大风险。空气质量差可能会导致短期的健康问题，如疲劳和恶心，甚至慢性呼吸系统疾病，心脏病和肺癌。据估计，在美国，每年因病态建筑综合征导致的成本消耗与生产力损失达100~200亿美元，这种病被定义描述为急性健康和令人不适的影响，它与空气质量差和在待在建筑物中的时间有关联。
还有许多因素会影响室内空气品质的问题。首先，大多数现有的空气质量监测装置是为专业人士所设计。这样的系统是昂贵的，并且远超一般用户能接受的范围。第二，对于人类来说恶劣的空气质量非常难以触摸或者感觉出来，因此，大多数人不知道室内空气质量是否是恶劣的。出于同样的原因，大多数人并没有意识到我们的一些日常活动降低了室内空气质量。在另一方面，各种各样简单且常识的措施对预防和解决许多室内空气问题会有所帮助。最近的一项研究表明，在意识到目前的空气质量水平之后，激发了人们改变自己的行为和所做的活动以改善空气质量。第三，大多数人认为室内空气质量好于室外，而研究表明室内污染物的浓度可能比室外高出二至五倍。过度使用空气清新剂和化学家用清洁产品反而会降低室内空气质量。因此，现在迫切需要一种可以为室内环境中的空气质量状况提供直观感受且被广泛接受的室内空气品质监测系统。
通常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（CO2）传感器来控制通风。然而，无论是二进制一氧化碳（CO）检测器还是二氧化碳（CO2）传感器都不足以作为影响公众健康的室内空气污染物的主要因素检测措施。另一方面，只有当一个问题已经被上报时，专业人员才会使用昂贵的专业级商业空气质量测量系统来到现场进行测试。划分空间的大型建筑会表现出完全不同的气候条件，这需要同时监控许多传感器节点以准确地描述时空动态和整个建筑的空气质量条件下的相关特性。商业空气质量测量系统不是为这样的目的而设计的。因此，需要一个低成本、普及，分布式IAQ系统在大型建筑的室内空气品质进行实时监测。
近年来，有一些关于室内空气质量监测系统等的研究被发表出来。不同于现有的研究，在本文中，我们提出了一种基于Arduino XBee模块、微气体传感器开发的低成本的室内空气质量无线传感器网络监控系统。我们开发的这个系统能够从不同的地点同时收集六个空气质量参数。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。通过比较我们的系统和professionalgrade空气质量检测装置的测量结果，验证了该系统的性能和实用性。
本文的其余部分组织如下：在第二部分中，描述了整体系统架构。在第三部分中，详细介绍了传感器节点的设计，包括传感器节点的功能模块和各种空气质量传感器的信号调理电路。在第4部分中提出了一种基于最小二乘估计的标定方法。在第5部分中提出了一些样品实验测量结果并证明设计的有用性。最后，论文的结论与总结在第6部分。本论文的另一个较短的版本已经发布在FNC 2014会议上。
2无线传感器网络系统设计
如图1所示，我们在这个开发中使用的无线传感器网络系统的整体体系结构，这个系统与我们较早开发的系统类似。如图所示，该系统的主要组成部分包括传感器节点、基站、数据库和Web服务器。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。一个Web服务器可以实现提供方便的Web界面，为用户访问数据和远程管理传感器网络系统。在本文中，我们只专注于传感器节点的发展，而基站，数据库和Web服务器的发展细节，和Web界面留给另一个出版物。
传感器节点的无线通信和联网能力利用Digi XBee模块实现。XBee模块实现了IEEE 802.15.4无线ZigBee网络协议，由于具有无线传感和驱动系统快速原型导致于非常受欢迎。IEEE 802.15.4标准规定了物理层和媒质访问控制层的低数据率无线个人区域网络。ZigBee是一种低成本，低功耗，标准建立在802.15.4的无线Mesh网络。
XBee模块可配置为三种类型：协调器、路由器、设备和终端设备。协调器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，但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模块作为协调器。然后，所有的XBee模块在网络共同使用ZigBee协议形成网状网络拓扑。通过这样的实现方法可以发现更多的细节。
图1室内空气质量监测无线传感器网络系统总体体系结构图
3室内空气品质传感器网络
3.1 传感器节点的设计
我们开发的传感器节点配备了多个传感器，一个处理单元，和一个无线通信和网状网络模块，如图2所示。所使用的处理单元是一个开源的Arduino Uno，单片机开发板基于ATmega328。无线通信是利用XBee模块第2小节中讨论了。设计感应盾是为了整合多个传感器及其调理电路，感应盾是直接插入标准的扩展头的Arduino电路板上。
图2(a) 一个功能的传感器节点的结构框图(b)Arduino Uno单片机板
(c) Digi XBee模块
Arduino Uno单片机拥有16兆赫的ATmega328。它属于具有先进的RISC结构的ATMEL单片机系列。它的功能包括32 KB的闪存读写功能，1 KB的EEPROM，2 KB SRAM，23个通用I / O线（GPIO），32个通用工作寄存器，三个灵活的定时器/计数器与比较模式，内部和外部中断，可编程串行UART，一面向字节的双线串行接口、SPI串口，6通道10位A/D转换器，具有内部振荡器的可编程看门狗定时器，和五个软件可选的节电模式。
成本，功耗，空间利用率的几个因素被认为是模块的设计。我们已经把传感器放在两个单独的感应盾，使传感器节点紧凑和方便。因此，两种类型的感应盾设计有不同的传感器与必要的接口电路。1型感应盾拥有二氧化碳传感器，挥发性有机化合物（VOC），温度和湿度传感器，然而2型感应盾有一氧化碳，臭氧，温度和湿度传感器。温度和湿度传感器放置在两种类型的盾牌，以观察是否气体传感器的输出取决于湿度和温度的变化。传感器节点与I型传感器盾如图3所示。
图3具有CO2、VOC和温湿度传感器的传感器节点图
3.2 IAQ传感器与Arduino单片机的连接
在Arduino板的ATmega328微控制器上，我们融入系统的每一个室内空气品质传感器进行接口时的电源和信号调理都有不同的需求。在这一部分中，我们提出了对接口电路的详细设计，这对于室内空气品质参数的精确测量是十分重要的。MG811二氧化碳传感器是一种化学传感器CO2浓度可检测的范围是350–10000 ppm（百万）。它的工作原理的基础上固体电解质电池的原则。当传感器暴露于二氧化碳气体时，产生电动势的电池会发生化学反应。这些反应的发生需要该传感器的表面温度需要足够高。因此，有一个单独的加热电路用来加热到传感器所需的温度。由于传感器的输出电压非常低（100~600毫伏），它需要被放大到一个5v的最大值以提高测量的精度，这需要一个增益为5/0.6=8.33V。由于其功率要求不能满足微处理器，所以需要外部电源供热。
图4显示了非反相放大器电路设计的CO2传感器，它是基于运放的MCP 6001。这个放大器电路实现的实际增益是G=1 R1/R2=7.8, 这也显示在图5使用PSPICE仿真结果中。
图4用于CO2传感器信号调理的非反相放大器电路
图5放大器电路仿真结果
Arduino Uno用100微秒实现读模拟输入。因此，最高采样频率为10 kHz的可能。由于室内环境中的二氧化碳读数会慢慢改变，所以用一个包括在调理电路的210赫兹的截止频率的低通滤波器来降低采样噪声。与低通滤波放大电路的频率响应如图6所示。二氧化碳传感器需要的加热电压为6 V，它需要一个200毫安的电流。为了满足这种设计要求，我们实现了一个稳压5 V电源，如图7所示。
图6放大电路的频率响应图
图7为加热CO2传感器提供的可调节的6V直流电源电路图
VOC传感器TGS2602是加热半导体传感器。这种传感器由一层由金属氧化物材料组成，如二氧化锡或二氧化锌。感测层与集成加热器一起组成在传感芯片的氧化铝衬底上。当接触到可探测气体时，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应的输出信号。TGS2602对低浓度的气体高度敏感如氨，硫化氢和甲苯。它的检测范围是1–30 ppm。功耗低，寿命长，电路简单，体积小，对恶臭气体灵敏度高，是这类传感器的一些优点。由于传感器的输出是在0 - 5 V的范围内，不需要特殊的放大电路。然而，单独的加热电路需要对传感器的性能进行改进。VOC传感器的加热电阻需要5 V的电压和约56毫安的电流。所以，我们做出了一个和和图7中完全一样的5 V稳压直流电源电路，除了R1和R2的取值不同，R1=240Omega;，R2=716Omega;。
MQ7一氧化碳传感器也与VOC传感器系列的半导体加热传感器类似。它对CO高度敏感并且寿命长。该传感器的检测范围为20–2000 ppm。所需测量的电压源是5V，但所需的加热电压在高电压5V（60秒）和低电压1.4V（90秒）之间交替。因此，为了进行加热需要设计一个特殊的开关电源。输出信号的测量是在经过一个负载电阻的每个加热循环的2.5分钟后。为了满足这样的要求后，我们实现了一个如图8所示的开关电源电路，它是由单片机输出的数字信号控制的。按照明细表的要求，该单片机编程开关电源电压应在5~1.4V。开关电源的仿真结果如图9所示，从中我们可以清楚地观察电路正常工作与单片机的数字控制信号。
图8可由单片机控制的可切换稳压直流电源电路图
图9开关电源的仿真结果图
MQ131臭氧传感器也是半导体加热传感器。该传感器的敏感材料是氧化锡。它的组成和工作原理与VOC传感器相同。该传感器对臭氧高度敏感，同时也对氯气和二氧化氮（NO2）敏感。该传感器的臭氧检测范围是10–1000 ppb（十亿分度）。寿命长、成本低、臭氧灵敏度范围广是该传感器的一些特点。该传感器要求一个小于24V的测量电压源和一个5V的加热电源，这与VOC传感器相同。所以，用于VOC传感器5 V直流加热电压也适用于臭氧传感器。
RTH03温度湿度传感器是数字传感器，它具有低功耗和长期稳定性的特点。该传感器有预校准功能，它可以直接连接到没有任何额外的接口电路的数字输入和输出引脚的单片机上。从RTH03输出的信号是一个40位适当工程单位的温度湿度测量数据。
4 传感器数据标定的最小二乘法
我们已经把其中5个传感器的功能集成到传感器盾中，RTH03温度湿度传感器是一个使用在摄氏度温度下的合适的工程单位输出40位测量数据且用百分比输出相对湿度的数字传感器。该传感器虽然被预先校准，然而，其他的传感器如MG811二氧化碳传感器，TGS2602 VOC传感器，MG7一氧化碳传感器和MQ131臭氧传感器，将输出信号作为电压电平来代替气体浓度测量。这样就导致了传感器需要校准。
获取用于校准的微型气体传感器的适当的设备是非常昂贵的，如用于保持在固定的水平的气体浓度的特殊腔室，用于产生气体的装置，还有用于测量实际气体浓度的参考仪器。因此，在本节中，我们开发了一种不需要在任何预定义的固定级别下测量的简化的传感器校准方法。
进行校准时，传感器节点被放置在一个大小为24times;13.1times;16.8英寸的透明的塑料密封容器里，连同一个专业级的空气质量检测系统的传感器探头，构成格雷沃夫IAQ610直接测量系统。格雷沃夫系统能够检测VOC、CO2、CO、臭氧、温度、相对湿度和雨点。然后，通过注入特定类型的气体来改变密封容器内部的气体浓度。从被测传感器所收集到的数据用基于最小二乘法的格雷沃夫系统对数据进行校准，描述如下。由于所提出的校准方法不依赖于在任何预定义的气体浓度水平下的测量，当压缩气体源不可用时，不同的气体浓度条件下，可以通过各种方法创建校准方法。例如，纸的不完全燃烧产生CO，CO2和其他挥发性化合物。香水、咖啡、空气清新剂、家用清洁产品是典型的挥发性化合物的来源之一。
由于传感器的电压输出信号随着二氧化碳浓度的升高而减小，对于MG811二氧化碳传感器我们采用以下线性转换模式：y(n)=a(5000-v(n)) b,在以n为时间单位的基础上，y(n)和v(n)的测量数据分别以ppm和mV为单位， A和B分别都是需要估计的未知参数。当n
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