微型传感器节点的空气污染监测：硬件和软件问题外文翻译资料

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微型传感器节点的空气污染监测：硬件和软件问题

Sukwon Choi 1 , Nakyoung Kim 1, Hojung Cha 1, * and Rhan Ha 2

1 Department of Computer Science, Yonsei University, Seodaemungu, Shinchondong, Seoul, Korea;

E-Mails: sukwon@cs.yonsei.ac.kr (S.C.); nykim@cs.yonsei.ac.kr (N.K.)

2 Department of Computer Engineering, Hongik University, Mapogu, Sangsoodong, Seoul, Korea;

E-Mail: rhanha@cs.hongik.ac.kr

doi:10.3390/s91007970

摘要：配备各种气体传感器的无线传感器网络已被积极用于空气质量监测。以前的研究通常集中在系统问题，包括中间件或网络性能，但大多数研究几乎没有考虑传感器节点本身的硬件和软件的细节。 在本文中，我们专注于空气污染物监测应用的传感器板的设计和实现。讨论了一些硬件和软件问题，以探索实用的基于WSN的空气污染监测系统的可能性。通过广泛的实验和评估，我们确定了气体传感器的各种特点，及其对空气污染物监测系统的实际影响。

关键字：气体传感器; 无线传感器网络; 空气污染监测

1 简介

随着越来越多的有关恶劣气候条件的健康问题的报道，建设良好的空气质量体系最近成为人们关注的焦点。使用空气监测系统检测空气中的污染物和确定污染地区是重要的，这是普遍的空气质量改进技术（如源头控制，改善通风和空气清洁）的初始过程。

传统的空气质量监测方法如气相色谱（GC）在时间，费用和安装地点方面受到限制。 因此，有限的数据可用于估计环境空气毒素。此外，内置于紧凑，手持设备空气质量监测系统具有空间和时间的限制，因为所述测量是手动进行的[2]。微机电系统（MEMS）和无线传感器网络（WSN）技术的最新进展使得创建了一种低成本的空气污染物监测系统，并在实际环境中部署。将空气污染物监测系统与WSN技术相结合将降低安装成本，实现数据采集和控制系统的快速，轻松的重新配置。另外，联网空气污染物监测允许连续和低成本的观察。

最近几项研究将WSN技术应用于空气质量监测系统。 通常，这些项目的重点是开发大型网络的中间件，数据聚合和网络技术[3-5]。 然而，在文献中已经很少有研究来处理与传感器节点本身相关的实际开发问题，传感器节点本身由各种类型的基于MEMS或基于红外的微型气体传感器组成。 虽然许多最近开发的气体传感器表现出微小的形状因素，但是它们的运行仍然消耗了不少的的能量，并且它们的感测精度需要改进[6]。 因此，一个特定的WSN-问题，特别是与不同的气体传感器打交道时，应在两个硬件和软件有关的方面而言影响。

本文组织如下：第二部分介绍相关工作。 所提出的系统的设计目标在第3节中讨论。系统的硬件和软件部分分别在第四和第五节中讨论。 第六节描述了APOLLO的实现细节。 第七节评估了拟议的系统，并在第八节之后进行了一般性讨论。第九节对文章进行了总结。

2 相关工作

以前的研究尝试构建网络空气质量监测和诊断系统。 SensorScope [7]和CitySense [8]是大型无线环境监测系统的例子。 SensorScope被开发用于在整个景观中提供原位空间和时间观测。 CitySense通过在建筑物和路灯中嵌入超过100台基于Wi-Fi的基于Linux的PC，支持跨越整个城市的无线系统的开发和评估。虽然SensorScope利用广泛的无线电负载循环的太阳能来防止断电，但CitySense使用有线电源。其他系统也在能源密集型平台上开发。例如，N-SMARTS [9]是一种基于GPS的手机或汽车安装的全市环境数据采集系统。其传感器模块由二氧化碳，一氧化碳，三轴加速度计和温度传感器组成。 SensorMap [10]是一个移动空气质量监测网络，由能够检测O3，NO2和CO / VOC的传感器组成。该计划侧重于数据收集和呈现，但没有考虑到气体传感器和能源管理的特点等问题。 LaserSPECks [11]是基于激光光谱跟踪气体传感器平台开发的。通过集成量子级联激光技术，减小了系统的尺寸和成本，同时提供了广泛的可检测气体。但是，功耗不可忽略。

由于先前的研究没有涉及到诸如能源消耗，传感器的选择，或空间的灵活性问题细节的考虑，我们的工作在这里详细介绍了设计，实施和紧凑型气体传感器构成的空气污染物监测系统的操作。

3 设计目标

3.1 EPA指定的标准污染物的空气污染监测

美国环境保护局（EPA）指定了一个标准化的空气污染指数，即空气质量指数（AQI），主要由一氧化碳（CO），二氧化氮（NO2），颗粒物（PM），二氧化碳 ）和二氧化硫（SO2）[1]。 监测系统应能够及时准确地检测这些有毒气体与商业现货（COTS）气体传感器。 关于这些污染物及其对人体的影响的总结，见表1.我们系统的主要目标是建立一个空气质量监测工具，用廉价的小型传感器测量EPA指定的标准污染物。

3.2 灵活性和能源管理

任何环境中都可能产生空气污染，无需区分室内或室外来源，包括街道，学校，办公室，房屋，地铁站，矿山等。 常规的空气监测方法如气相色谱和被动采样方法在安装成本，时间和尺寸方面都受到限制。 因此，空气质量监测系统应该在空间上灵活直观地监测目标区域的空气质量。 此外，由于电源插座有时在监控点可用，所以系统应该能够使用电池，AC或DC等各种电源。 此外，传感器仪器的成本应该是合理的，因此可以安装多个传感器来有效地感测一个在线的区域。

大多数现有的基于WSN的空气质量监测系统依赖于固定节点部署和始终可用的电源。然而，与使用静态电源插座的系统相比，电池供电的传感器节点提供更高的空间灵活性。由于传感器节点自由定位在现场，系统可以快速方便地进行部署和拆卸。因此，系统可以在诸如地震，火灾，掉电或电力中断的停电等紧急情况下运行。此外，通过考虑目标区域的气流，可​​以直接定位最佳的安装位置，从而可以精确和准确地评估空气质量。电池供电的传感器节点的电源管理对于最大化系统的使用寿命至关重要。需要各种传感器来构建空气监测系统，并且与其他种类的传感器相比，基于化学反应的一些气体传感器消耗大量的能量。因此，应对传感器节点进行适当的电源管理。

4 硬件设计

4.1 气体传感器

在提供APOLLO各部件的详细说明之前，首先介绍安装在传感器板上的化学气体传感器的原理和特点。 存在几种类型的COTS化学气体传感器，但每种传感器具有不同的操作原理。 气体传感器的操作特性通常分为三种类型：加热半导体，非分散红外（NDIR）和发光二极管（LED）。 小型气体传感器的尺寸，精度和功耗都随传感器类型而异。

加热半导体传感器通过测量由诸如二氧化锡（SnO 2）或氧化锌（ZnO）的金属氧化物材料构成的感测层的电导率来评估目标气体浓度。 当有毒气体到达传感器表面并被吸收时，其电导率会发生变化。 对于半导体传感器，需要预热时间，因为半导体氧化物对蒸汽和其他化学物质敏感地反应。 例如，当温度达到约340°C时，CO传感器MiCS-5521的输出稳定。 预热消除了传感层上的蒸汽和杂质，从而实现了化学平衡。 采用MEMS技术，这种传感器尺寸小，响应时间快[6]。 CO，NO2和VOC传感器属于此类别。

NDIR传感器由红外灯，样品室或光管，波长滤波器和红外检测器组成。 将气体泵送到样品室中，并通过吸收特定波长的红外线来电气测量气体浓度。 红外光通过样品室朝向检测器，该检测器在其前方具有滤光器以消除除被选择的气体分子可吸收的波长之外的所有光。 理想地，其它气体分子不吸收该波长的光，并且不影响到达检测器的光量。 NDIR传感器通常比半导体传感器消耗更多的能量; 然而，它们提供了精确的测量。 CO2传感器属于这一类。

诸如PPDNS4的LED传感器根据通过传感器的检测区域时颗粒块的LED光量的数量来计数颗粒数。 由于这种类型的传感器具有用于传感器内部的空气循环的加热器，因此其功耗明显高于其它传感器。

4.2 传感器板

由于APOLLO的主要目标是使用廉价的紧凑型传感器提供关于EPA指定标准污染物的信息，因此我们使用了COTS气体传感器，以满足低成本和适用性的要求。 检测CO，CO2，NO2，颗粒物（PM）和挥发性有机化合物（VOC）的传感器被集成到单板中，用于在一致的环境中分析每个传感器的特性。 选择VOC传感器是因为它检测到SO2。 温度/湿度传感器也安装在传感器板上，因为气体传感器的检测结果对环境温度和湿度敏感。

将多个气体传感器安装在单个集成传感器板上，与多个单独的传感器板设计相比，在能源使用，成本，安装时间和污染物检测方面具有优势。 如表1所述，从相同的污染源产生许多有害气体。 因此，将传感器放在一起可以有效检测空气污染物。 半导体气体传感器的精度通常受温度和湿度的影响; 因此，可能引起相当大的基线漂移。 为了克服这个问题，将湿度和温度传感器连接到传感器板上并应用校正算法。

然而，将多个传感器集成到传感器板中，在电源方面呈现出一系列意想不到的问题。 表2示出了六个传感器的额定电压显著不同。

在早期设计中，我们使用了一个升压电路，可以从3 V电源提供12 V电源。 这种方法引起了临界电压降，因此无线电收发器功能不正常。 此外，传感器节点在操作大约一个小时后消耗了两节AA电池。 通过硬件修订，电源与传感器节点分离并更换为12V可充电电池。 为了支持三种额定电压，采用两个DC-DC转换器：一个用于降压12 V至3 V，另一台用于升压3 V至5 V。

在改变电源设计后，由于其功率过大，PPD4NS和D-120等传感器在一定时间内仍然无法正常工作。 我们得出结论，连续供电是不可行的，即使是较大的电池; 因此，传感器操作应作为电源管理组件进行。 在我们的最终设计中，所有气体传感器都有电气开关，以实现基于软件的电源管理。 最终的硬件如图1所示。传感器板基本上由锂离子充电电池供电，但为了高空间灵活性和便利性，传感器板的设计使得电源插座的电源也是可以的。

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