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Procedia Computer Science 34 (2014) 165 – 171

第九届未来网络与通信国际会议 (FNC-2014)

用于室内空气质量监测应用的低成本无线传感器网络系统

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。 目前可用的监测系统非常昂贵。 在本文中，我们提出了一个使用Arduino，XBee模块和微型气体传感器开发的低成本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的位置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估计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专业级空气质量测量设备的测量结果，证明了该系统的性能和实用性。

Keywords: 环境监测; 室内空气质量; 微型气体传感器; 无线传感器网络。

绪论

室内空气污染一直被美国环境保护署（EPA）及其科学顾问委员会列为最重要的环境公共健康风险之一。普通人估计90％的时间都在室内，因此室内空气质量（IAQ）对公众健康构成重大风险。 空气质量差可能会导致短期健康问题，例如疲劳和恶心，以及慢性呼吸系统疾病，心脏病和肺癌。 据估计，美国每年的成本和生产力损失为100至200亿美元，与病态建筑综合症相关，这种综合症被定义为描述急性健康和不适的影响，这些影响似乎与室内空气质量和建造建筑物所花费的时间有关。

有许多因素使IAQ问题复杂化。 首先，大多数现有的空气质量测量设备都是专为专业人士设计的。 这样的系统很昂贵并且超出普通用户的范围。 其次，空气质量差对人类感觉或感觉极为不利; 因此，大多数人无法判断室内空气质量是否差。 出于同样的原因，大多数人都没有意识到我们的一些日常活动会降低室内空气质量。

另一方面，各种简单和常识措施可以帮助预防和解决许多室内空气问题。 最近的一项研究表明，实现目前的室内空气质量水平会激励人们并开展活动以改善空气质量。第三，大多数人认为室内空气质量优于室外，而研究表明室内空气污染物水平可能比户外高出两到五倍。 过度使用空气清新剂和化学家用清洁产品可能会降低室内空气质量。 因此，迫切需要一种可广泛使用的IAQ监测系统，该系统能够在室内环境中提供直观的空气质量状况。

lowast; Corresponding author. Tel.: 1-940-891-6875 ; fax: 1-940-891-6881.

E-mail address: xinrong@unt.edu

1877-0509 copy; 2014 Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/).

Selection and peer-review under responsibility of Conference Program Chairs doi:10.1016/j.procs.2014.07.090

互联网

基站 Wi-Fi/LAN

(协调器)

ZigBee

传感器节点(路由器)

传感器节点(路由器)

传感器节点

(终端)

传感器节点 传感器节点

(终端) (终端)

传感器节点(终端)

数据库和网络服务器

计算机 (客户端)

图1.用于室内空气质量监测的无线传感器网络系统的总体系统结构.

定期的室内空气监测通常被限制为烟雾和一氧化碳（CO）探测器，以二进制检测结果触发警报。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，二元CO探测器和二氧化碳传感器都不能充分测量室内空气质量。另一方面，昂贵的专业级商用空气质量测量系统通常仅在报告问题时由专业人员用于步行或现场测试。大型建筑物的分隔空间表现出极大的不同微气候条件，这需要与许多传感器节点同时进行分布式监测，以准确地表征整个建筑物内空气质量状况的时空动态和相关特性。商业空气质量测量系统不是为此目的而设计的。因此，需要具有成本效益，可广泛使用的分布式IAQ系统来进行大型建筑物的实时监测。

在本文中，我们提出了一个使用Arduino，XBee模块和微型气体传感器开发的低成本无线IAQ传感器网络系统。我们开发的系统能够同时从不同的位置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专业级空气质量测量设备的测量结果，证明了该系统的性能和实用性。

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。第4节介绍了基于最小二乘估计的校准方法。第5节介绍了一些样品实验测量结果，以证明设计的有效性。

硬件设计

2.1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，与我们之前开发的类似。系统的主要组成部分包括传感器节点，基站，数据库和 Web服务器如图所示。 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。 可以实现Web服务器，为用户提供方便的Web界面，以便用户远程访问数据和管理传感器网络系统。本文中，我们只关注传感器节点的开发，同时还要关注基站，数据库和 Web服务器和Web界面留给另一个出版物。

a b c

Sensor Shield

Xbee

Xbee Shield

Arduino Uno Board

图. 2. (a) 传感器节点的功能框图, (b) Arduino Uno微控制器板, (c) XBee 模块.

传感器节点的无线通信和网状网络功能使用Digi XBee模块7实现.XBee模块实现IEEE 802.15.4无线电和ZigBee网络协议，并且它已经变得非常流行用于无线传感和致动系统的快速原型设计。 IEEE 802.15.4标准规定了低数据速率无线个域网5的物理和媒体访问控制层.ZigBee是一种基于802.15.46的低成本，低功耗，无线网状网络标准。

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。协调员有能力控制整个网络。路由器可以在树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。从理论上讲，协调器设备可以支持最多65,536个节点的网络，这仅受到各个节点的16位网络地址的限制。传感器节点上的XBee模块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，使用ZigBee协议形成网状网络拓扑。

2.2 传感器节点设计

我们开发的传感器节点配备了多个传感器，一个处理单元，一个无线通信和网状网络模块，如图2所示。处理单元是Arduino Uno，一个开源的微控制器开发板，基于Atmega328。 通过使用第2节中讨论的XBee模块实现无线通信。传感器护盾设计与其调理电路集成，用于将多个传感器，护盾层直接插入Arduino板上的标准化扩展接头。

Arduino Uno上的微控制器是16 MHz Atmega328。 它属于Atmel 8位微控制器系列，具有先进的RISC架

构。 其功能包括32 KB闪存，具有读写功能，1 KB EEPROM，2 KB SRAM，23个通用I / O线（GPIO），32个通用工作寄存器，3个带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，面向字节的2线串行接口，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，以及五种软件可选择的省电模式。

模块的设计考虑了成本，功耗，空间利用等几个因素。 我们将传感器放在两个独立的传感器护盾中，以使传感器节点紧凑和方便。 因此，设计了两种类型的传感器护盾，它们具有不同的传感器和必要的接口电路。 I型传感器护盾具有CO2，VOC（挥发性有机化合物）以及温度和湿度传感器，而II型传感器护盾具有CO，臭氧以及温度和湿度传感器。 温度和湿度传感器放置在两种类型的护盾上，以观察气体传感器的输出是否取决于湿度和温度变化。 带有I型传感器护盾的传感器节点如图3所示。

CO2传感器MG811是化学传感器。 它能检测到的CO2浓度范围为350-10000 ppm（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CO 2气体时，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才能发生这些反应。 因此，使用单独的加热电路将传感器加热到所需的温度10.由于传感器的输出电压非常低（100mV-600mV），因此需要对其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，为这种传感器开发信号调节和加热电路变得至关重要。

图 3. CO2，VOC和温度和湿度传感器的传感器节点.

VOC传感器TGS2602是加热半导体传感器。 它由一个由金属氧化物材料如二氧化锡或二氧化锌组成的传感层组成。 传感层与集成加热器11一起形成在传感芯片的氧化铝基板上。当传感器暴露于可检测气体时，传感器的电导率增加。 电导率的变化产生对应于气体浓度的输出信号。 TGS2602对低浓度的气体如氨，氢硫化物和甲苯非常敏感。 其检测范围为1-30 ppm。 传感器的优点有低功耗，长寿命，简单的电路，小尺寸和对恶臭气体的高灵敏度等。 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。

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锡氧化物。 其成分和工作原理与VOC传感器的说明相同。 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（十亿分之一）。 长寿命，低成本，广泛的臭氧灵敏度也是这种传感器的特点。 传感器需要小于24 V的测量电压源和5 V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。

温度和湿度传感器RTH03是一款数字传感器，结构紧凑，功耗低，长期稳定。 传感器经过预校准，可以直接连接到微控制器的数字输入和输出引脚，无需任何额外的接口电路。 来自RTH03的输出信号是40位数据，以适当的工程单位进行温度和湿度测量。.

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英语原文共 7 页

资料编号：[3980]