全世界的空氣質(zhì)量都在下降。世界衛(wèi)生組織(WHO)表示，2014年有370萬人死于環(huán)境或室外空氣污染，有430萬人死于室內(nèi)或家裝污染。環(huán)境保護(hù)署(EPA)針對室內(nèi)空氣污染有很好的對策。本文將從模擬與電源管理設(shè)計的角度介紹一種典型的環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計，它可以用來分析智慧城市或地區(qū)的室外空氣質(zhì)量。

 

下面我們將從電化學(xué)傳感器開始，因為它們具有超低功耗，而超低功耗是這種系統(tǒng)中采用的無線傳感器節(jié)點的關(guān)鍵要素。

 

 

某些最老的電化學(xué)傳感器可以追溯到20世紀(jì)50年代，它們主要用于監(jiān)測氧氣。

 

 

圖1：自2012年以來，電化學(xué)氣體傳感器的尺寸實現(xiàn)了數(shù)量級的改進(jìn)。但是尺寸并不是唯一的改進(jìn)，更低的功耗給系統(tǒng)提供了更長的電池壽命，甚至能量收集電源也有了顯著進(jìn)步。(圖片由KWJ Engineering和SPEC傳感器提供)

 

 

圖2：SPEC傳感器系統(tǒng)使用了可印制的納米結(jié)構(gòu)油墨催化材料和高性能的電子部件：硬件、固件和軟件(智能算法使器件穩(wěn)定性的增強達(dá)十億級)，精密模擬前端(AFE)，帶微處理器、用于數(shù)字信號處理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及物聯(lián)網(wǎng)接口。(圖片由KWJ Engineering和SPEC傳感器提供)

 

電化學(xué)傳感器似乎是目前業(yè)界最低功耗的解決方案。這種傳感器只有納瓦到毫瓦的功耗，而且一氧化碳(CO)和硫化氫(H2S)傳感器不需要偏置電壓。

 

圖3：電化學(xué)傳感器的基本工作原理圖， 同時提供了一種SPEC傳感器的工作框圖。

 

 

劍橋CMOS傳感器有限公司是AMS集團(tuán)的一部分，目前正使用其超低功耗的氣體傳感器設(shè)計新款的Cling VOC智能健身腕帶，用于測量室內(nèi)空氣質(zhì)量以及人們呼吸中的酒精成份(也有望用來防止酒駕和醉駕)。

 

集成在Cling VOC腕帶中的CCS801氣體傳感器能夠檢測出室內(nèi)常有的低濃度揮發(fā)性有機化合物(VOC)。在這種腕帶中，VOC的測量結(jié)果可以顯示在腕帶上，向用戶指示空氣質(zhì)量。腕帶也能夠根據(jù)要求提供酒精呼吸分析，因為集成的CCS803氣體傳感器加上專門的算法對人類呼吸中的乙醇成份非常敏感。CCS8xx系列氣體傳感器的外形小而薄，因此可以用在像Cling VOC那樣擁有超薄時髦外殼的設(shè)備中，這樣的設(shè)備對時尚消費者來說極具吸引力。

 

劍橋金屬氧化物(MOX)傳感器使用專門設(shè)計的基于CMOS的微型加熱板平臺，有助于實現(xiàn)設(shè)備的微型化、超低功耗和快速響應(yīng)時間，這些特性對可穿戴設(shè)備來說都是關(guān)鍵。這些微型加熱板用結(jié)實的二氧化硅薄膜制造，用嵌入式鎢加熱元件來加熱基于MOX的傳感材料。這種傳感檢測材料能夠被加熱到500℃，可以很方便地通過監(jiān)視MOX傳感器的電阻檢測目標(biāo)氣體。由于具有快速加熱器循環(huán)時間，因此可以實現(xiàn)溫度調(diào)制技術(shù)，以便降低器件功耗，實現(xiàn)先進(jìn)的氣體檢測方法。

 

市場上有帶私有算法的軟件庫以及針對安卓操作環(huán)境的應(yīng)用實例，可以用來幫助設(shè)計師將這些傳感器輕松地集成進(jìn)各種便攜式消費類應(yīng)用。

 

智慧城市的成功取決于運用低成本但高精度的環(huán)境傳感器連續(xù)監(jiān)視一般城市和特大城市空氣質(zhì)量的能力。

 

導(dǎo)致空氣質(zhì)量差并最終影響居民健康的因素主要是交通運輸、道路交通、家庭供熱、工業(yè)排放和其它局部性的人類活動，它們都是環(huán)境中有毒氣體(NOx, O3, CO, SO2, NH3, H2S)、揮發(fā)性有機化合物(苯、甲苯、二甲苯)、多環(huán)芳香烴(PAH)、溫室氣體(CO2,CH4,N2O)、顆粒物(PM10、PM2.5、PM1.0是直徑小于10μm的顆粒)、懸浮顆粒和灰塵、重金屬、花粉的主要排放源。人類持續(xù)吸入污染物達(dá)到一定的時間將會對健康產(chǎn)生不可逆的損害。

 

傳感器節(jié)點可以由部分固定和/或移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，也可以安裝到街燈和交通燈上。每個節(jié)點可以通過ZigBee或其它低功耗無線協(xié)議將傳感數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)，然后再由網(wǎng)關(guān)通過GSM等無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心。還可以生成城市污染圖供今后分析。

 

在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布傳感器數(shù)據(jù)有助于提高公眾的環(huán)保意識，促進(jìn)環(huán)境的持續(xù)改善。這些傳感器技術(shù)可以被地方當(dāng)局和人民群眾用來獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，并將有關(guān)環(huán)境狀況的實時信息告知大多數(shù)民眾。

 

參考文獻(xiàn)1中被稱為NASUS的傳感器系統(tǒng)集成了英國Alphasense公司提供的4個低成本電化學(xué)氣體傳感器(NO2, CO, SO2, H2S)、日本神榮科技有限公司提供的1個低成本光學(xué)PM檢測器、美國國家半導(dǎo)體公司提供的1個溫度傳感器(LM35CZ)和霍尼韋爾提供的1個相對濕度傳感器(HIH-3610系列)。

 

測試中的傳感數(shù)據(jù)以每分鐘一次的速度接近實時捕獲，同時采用了低成本的同步傳感器和參考化學(xué)分析儀。數(shù)據(jù)集只有在經(jīng)過正確的篩選和驗證后才可以使用。在最后的數(shù)據(jù)處理中，可以用下面的公式1將原始的傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為針對每個空氣污染物的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)。

 

 

AQI指數(shù)的值在0到500范圍內(nèi)。這個值越高，說明空氣污染程度越嚴(yán)重，對民眾的健康影響就越大。具體來說，AQI值為33表示空氣質(zhì)量非常純凈，很少或幾乎沒有可能影響民眾的健康；AQI值超過150表示空氣質(zhì)量很糟糕，是嚴(yán)重污染，每位居民都將受到嚴(yán)重的健康影響。AQI值為100或100以下時被認(rèn)為是滿意的。當(dāng)AQI值超過100時，空氣質(zhì)量被認(rèn)為首先對特定的敏感人群有害，隨著指數(shù)的上升，將影響到每個人。每隔1小時報告一次日常空氣質(zhì)量被認(rèn)為是合理的做法。

 

系統(tǒng)可以采用移動和靜態(tài)傳感器監(jiān)視空氣質(zhì)量。可以采用鉛酸電池、太陽能電池或其它電池技術(shù)供電。傳感器可用于檢測CO、顆粒物(PM)和其它大氣污染物的任意組合。

 

 

下面讓我們進(jìn)一步了解可能在智慧城市中用來監(jiān)視AQI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。這是介紹環(huán)境傳感器不可或缺的一部分。

 

無線通信通常會選擇ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議。部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以是提供全球定位系統(tǒng)/通用數(shù)據(jù)包無線服務(wù)(GPS/GPRS)的模塊。一些系統(tǒng)還利用可穿戴傳感設(shè)備來捕獲空氣質(zhì)量方面的大數(shù)據(jù)。有時還會利用車載系統(tǒng)。只要車輛靠近，數(shù)據(jù)就可以通過Wi-Fi熱點傳送。有時所選擇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)會通過短信系統(tǒng)(SMS)與用戶通信。

 

 

參考文獻(xiàn)2中所述的系統(tǒng)就是一個很好的例子，讓我們來看看這類架構(gòu)。這種系統(tǒng)整合了傳感器節(jié)點和它們的網(wǎng)關(guān)，還有信息系統(tǒng)(圖4)。

 

 

圖4：論文“低成本、快速部署且能量自給的空氣質(zhì)量監(jiān)視用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”推薦了一種用于監(jiān)視空氣質(zhì)量的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)(圖片摘自參考文獻(xiàn)2)。

 

圖4中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由氣象和/或氣體傳感器組成。在這個系統(tǒng)中，服務(wù)器通過服務(wù)器網(wǎng)關(guān)接收無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)信息，并形成信息系統(tǒng)(IS)。在這個系統(tǒng)中有兩種網(wǎng)關(guān)：一種是在靠近以太網(wǎng)連接時使用的Zigbee-GSM-以太網(wǎng)，一種是可能使用SMS或GPRS向服務(wù)器發(fā)送所收集數(shù)據(jù)的Zigbee-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。服務(wù)器對各種數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，并在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中發(fā)布結(jié)果，供信息管理系統(tǒng)以及該地區(qū)的居民瀏覽和分析。

 

 

參考文獻(xiàn)2中的文章重點關(guān)注的是室外應(yīng)用，并使用了一個尋找污染氣體的例子；這個例子中的污染氣體是一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)、臭氧(O3)和二氧化氮(NO2)。

 

所選用的傳感器類型有：Alphasense B4型傳感器，選用這類傳感器的理由是它們具有檢測室外低濃度氣體的靈敏度和檢測范圍。

 

獨立傳感器板(ISB)的設(shè)計架構(gòu)可以提升噪聲性能，優(yōu)化每個傳感器的測量質(zhì)量。顆粒物(PM2.5和PM10)是利用武漢四方光電科技有限公司生產(chǎn)的AM2003模塊測量的。

 

然后是用Figaro CDM4161模塊檢測CO2，用KE-25傳感器檢測O2濃度。

 

這個研究案例還使用TI的LM35傳感器檢測空氣溫度。

 

所有這些傳感器都滿足環(huán)境保護(hù)署(EPA)的要求。表1列出了該設(shè)計中使用的傳感器規(guī)范。

 

表1：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)系統(tǒng)的傳感器規(guī)范(圖片摘自參考文獻(xiàn)2)。

 

針對Arduino接口的傳感器模擬調(diào)節(jié)設(shè)計

 

由于傳感器種類很多，它們又都有自己的輸出信號類型，因此設(shè)計師需要做一個單獨的AFE設(shè)計，目的是使每個傳感器信號都能兼容基于Atmel ATSAM3X8E μC的Arduino Due模塊。最終由Arduino模塊收集、整理和處理這些傳感器信息后，將數(shù)據(jù)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。

 

5個獨立的Alphasense傳感器通過Alphasense ISB一體化傳感器電路板將模擬信號輸出到Microchip 16位MCP3428 ADC，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過I2C接口輸出送至Arduino。PM傳感器使用UART與Arduino相連。

 

O2傳感器輸出信號使用TI的INA122儀器放大器作為傳感器和Arduino ADC輸入之間的電壓接口。

 

最后，利用TI的OPA2336雙路運放放大CO2、溫度和濕度傳感器的信號，使其滿足Arduino ADC輸入的最佳動態(tài)范圍要求。圖5顯示了Arduino Due電路板的框圖。

 

圖5：框圖顯示了Arduino Due電路板上ATSAM3X8E微控制器的所有接口。(圖片摘自參考文獻(xiàn)2)

 

為了完成設(shè)計架構(gòu)，還要在設(shè)計中增加一個美信集成公司的DS3231實時時鐘芯片，用于給輸入數(shù)據(jù)加上精確的時間戳。

 

microSD用于備份數(shù)據(jù)存儲，900 MHz XBee-PRO 900HP模塊通過ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議連接網(wǎng)關(guān)，用于擴(kuò)大無線通信范圍。之所以選擇這種長距離的無線電技術(shù)，是為今后擴(kuò)展無線覆蓋范圍做準(zhǔn)備。圖4顯示了點到多點類型的覆蓋范圍拓?fù)洹?/div>