本文将从模仿与电源办理规划的视点介绍一种典型的环境传感器网络体系规划，它能够用来剖析才智城市或区域的室外空气质量。这类体系的布置能够协助人们了解日常出产日子中所呼吸的空气质量。一种包括传感器的闭环反馈体系，将有助于用户和当地政府调整和改进当地的空气质量，然后前进当地人口的健康水平、下降医疗本钱、延伸寿数并改进日子质量。
全世界的空气质量都在下降。世界卫生组织(WHO)标明，2014年有370万人死于环境或室外空气污染，有430万人死于室内或家装污染。环境维护署(EPA)针对室内空气污染有很好的对策。本文将从模仿与电源办理规划的视点介绍一种典型的环境传感器网络体系规划，它能够用来剖析才智城市或区域的室外空气质量。
下面咱们将从电化学传感器开端，由于它们具有超低功耗，而超低功耗是这种体系中选用的无线传感器节点的要害要素。
电化学传感器
某些最老的电化学传感器能够追溯到20世纪50年代，它们首要用于监测氧气。
图1：自2012年以来，电化学气体传感器的尺度完结了数量级的改进。可是尺度并不是仅有的改进，更低的功耗给体系供给了更长的电池寿数，乃至能量搜集电源也有了明显前进。
图2：SPEC传感器体系运用了可印制的纳米结构油墨催化资料和高功用的电子部件：硬件、固件和软件(智能算法使器材安稳性的增强达十亿级)，精细模仿前端(AFE)，带微处理器、用于数字信号处理的模数转化器
，以及物联网接口。(图片由KWJ Engineering和SPEC传感器供给)
电化学传感器似乎是现在业界最低功耗的解决计划。这种传感器只需纳瓦到毫瓦的功耗，而且一氧化碳(CO)和硫化氢(H2S)传感器不需求偏置电压。
图3：电化学传感器的根本作业原理图， 一起供给了一种SPEC传感器的作业框图。
手腕上的气体传感器
剑桥CMOS传感器有限公司是AMS集团的一部分，现在正运用其超低功耗的气体传感器规划新款的Cling VOC智能健身腕带，用于丈量室内空气质量以及人们呼吸中的酒精成份(也有望用来避免酒驾和醉驾)。
集成在Cling VOC腕带中的CCS801气体传感器能够检测出室内常有的低浓度挥发性有机化合物(VOC)。在这种腕带中，VOC的丈量成果能够显现在腕带上，向用户指示空气质量。腕带也能够依据要求供给酒精呼吸剖析，由于集成的CCS803气体传感器加上专门的算法对人类呼吸中的乙醇成份十分灵敏。CCS8xx系列气体传感器的外形小而薄，因而能够用在像Cling VOC那样具有超薄时髦外壳的设备中，这样的设备对时髦顾客来说极具吸引力。
剑桥金属氧化物(MOX)传感器运用专门规划的根据CMOS的微型加热板渠道，有助于完结设备的微型化、超低功耗和快速呼应时刻，这些特性对可穿戴设备来说都是要害。这些微型加热板用健壮的二氧化硅薄膜制作，用嵌入式钨加热元件来加热根据MOX的传感资料。这种传感检测资料能够被加热到500℃，能够很方便地经过监督MOX传感器的电阻检测方针气体。由于具有快速加热器循环时刻，因而能够完结温度调制技能，以便下降器材功耗，完结先进的气体检测办法。
商场上有带私有算法的软件库以及针对安卓操作环境的运用实例，能够用来协助规划师将这些传感器轻松地集成进各种便携式消费类运用。
才智城市
才智城市的成功取决于运用低本钱但高精度的环境传感器接连监督一般城市和特大城市空气质量的才干。
导致空气质量差并终究影响居民健康的要素首要是交通运输、道路交通、家庭供热、工业排放和其它局部性的人类活动，它们都是环境中有毒气体(NOx, O3, CO, SO2, NH3, H2S)、挥发性有机化合物(苯、甲苯、二甲苯)、多环芳香烃(PAH)、温室气体(CO2,CH4,N2O)、颗粒物(PM10、PM2.5、PM1.0是直径小于10μm的颗粒)、悬浮颗粒和尘埃、重金属、花粉的首要排放源。人类继续吸入污染物到达必定的时刻将会对健康产生不可逆的危害。
传感器节点能够由部分固定和/或移动的传感器网络完结，也能够安装到街灯和交通灯上。每个节点能够经过ZigBee或其它低功耗无线协议将传感数据传送到网关，然后再由网关经过GSM等无线网络发送到控制中心。还能够生成城市污染图供往后剖析。
在互联网上发布传感器数据有助于前进大众的环保认识，促进环境的继续改进。这些传感器技能能够被当地当局和人民群众用来获取环境数据，并将有关环境情况的实时信息奉告大多数民众。
参阅文献1中被称为NASUS的传感器体系集成了英国Alphasense公司供给的4个低本钱电化学气体传感器(NO2, CO, SO2, H2S)、日本神荣科技有限公司供给的1个低本钱光学PM检测器、美国国家半导体公司供给的1个温度传感器(LM35CZ)和霍尼韦尔供给的1个相对湿度传感器(HIH-3610系列)。
测验中的传感数据以每分钟一次的速度挨近实时捕获，一起选用了低本钱的同步传感器和参阅化学剖析仪。数据集只需在经过正确的挑选和验证后才干够运用。
AQI指数的值在0到500规模内。这个值越高，阐明空气污染程度越严峻，对民众的健康影响就越大。具体来说，AQI值为33标明空气质量十分纯洁，很少或简直没有或许影响民众的健康;AQI值超越150标明空气质量很糟糕，是严峻污染，每位居民都将遭到严峻的健康影响。AQI值为100或100以下时被以为是满意的。当AQI值超越100时，空气质量被以为首要对特定的灵敏人群有害，跟着指数的上升，将影响到每个人。每隔1小时陈述一次日常空气质量被以为是合理的做法。
体系能够选用移动和静态传感器监督空气质量。能够选用铅酸电池、太阳能电池或其它电池技能供电。传感器可用于检测CO、颗粒物(PM)和其它大气污染物的恣意组合。
无线传感器网络
下面让咱们进一步了解或许在才智城市中用来监督AQI的无线传感器网络(WSN)。这是介绍环境传感器不可或缺的一部分。
无线通讯通常会挑选ZigBee/IEEE802.15.4协议。布置的无线传感器网络也能够是供给全球定位体系/通用数据包无线服务(GPS/GPRS)的模块。一些体系还运用可穿戴传感设备来捕获空气质量方面的大数据。有时还会运用车载体系。只需车辆接近，数据就能够经过Wi-Fi热门传送。有时所挑选的无线传感器网络(WSN)会经过短信体系(SMS)与用户通讯。
一个典型的架构
参阅文献2中所述的体系便是一个很好的比方，让咱们来看看这类架构。这种体系整合了传感器节点和它们的网关，还有信息体系(图4)。
图4：论文“低本钱、快速布置且能量自给的空气质量监督用无线传感器网络”引荐了一种用于监督空气质量的根据无线传感器网络的体系(图片摘自参阅文献2)。
图4中的网络节点由气候和/或气体传感器组成。在这个体系中，服务器经过服务器网关接纳无线传感器网络(WSN)信息，并构成信息体系(IS)。在这个体系中有两种网关：一种是在接近以太网衔接时运用的Zigbee-GSM-以太网，一种是或许运用SMS或GPRS向服务器发送所搜集数据的Zigbee-以太网网关。服务器对各种数据流进行处理，并在网络运用中发布成果，供信息办理体系以及该区域的居民阅读和剖析。
传感器节点
参阅文献2中的文章要点重视的是室外运用，并运用了一个寻觅污染气体的比方;这个比方中的污染气体是一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)、臭氧(O3)和二氧化氮(NO2)。
所选用的传感器类型有：Alphasense B4型传感器，选用这类传感器的理由是它们具有检测室外低浓度气体的灵敏度和检测规模。
独立传感器板(ISB)的规划架构能够进步噪声功用，优化每个传感器的丈量质量。颗粒物(PM2.5和PM10)是运用武汉四方光电科技有限公司出产的AM2003模块丈量的。
然后是用Figaro CDM4161模块检测CO2，用KE-25传感器检测O2浓度。
一切这些传感器都满意环境维护署(EPA)的要求。表1列出了该规划中运用的传感器标准。
表1：无线传感器网络(WSN)体系的传感器标准(图片摘自参阅文献2)。
针对Arduino接口的传感器模仿调理规划
由于传感器品种许多，它们又都有自己的输出信号类型，因而规划师需求做一个独自的AFE规划，意图是使每个传感器信号都能兼容根据Atmel ATSAM3X8E μC的Arduino Due模块。终究由Arduino模块搜集、收拾和处理这些传感器信息后，将数据发给网关。
5个独立的Alphasense传感器经过Alphasense ISB一体化传感器电路板将模仿信号输出到Microchip 16位MCP3428 ADC，经模数转化后经过I2C接口输出送至Arduino。PM传感器运用UART与Arduino相连。
O2传感器输出信号运用TI的INA122仪器扩展器作为传感器和Arduino ADC输入之间的电压接口。
最终，运用TI的OPA2336双路运放扩展CO2、温度和湿度传感器的信号，使其满意Arduino ADC输入的最佳动态规模要求。图5显现了Arduino Due电路板的框图。
图5：框图显现了Arduino Due电路板上ATSAM3X8E微控制器的一切接口。(图片摘自参阅文献2)
为了完结规划架构，还要在规划中添加一个美信集成公司的DS3231实时时钟芯片，用于给输入数据加上精确的时刻戳。
microSD用于备份数据存储，900 MHz XBee-PRO 900HP模块经过ZigBee/IEEE802.15.4协议衔接网关，用于扩展无线通讯规模。之所以挑选这种长距离的无线电技能，是为往后扩展无线掩盖规模做准备。图4显现了点到多点类型的掩盖规模拓扑。
气候参数
这个节点用LM35丈量空气温度，用HTM2500LF丈量相对湿度，用气候仪丈量风速/风向和雨量，用MPX4115A丈量气压，用SQ-110丈量太阳辐射量，用SU-110丈量紫外线辐射，然后将一切这些传感器信号中起来发送给Arduino Due。
电源
在运用快速布置战略的这个规划中，一切节点需求能量自给自足，因而运用太阳能电池和Powerplus S3 12/9电池供给9A·h及12V直流。别的运用了Morningstar SHS-06电源控制器规划为节点、电池和20W及12V直流的Grealtec GAT20P太阳能电池之间供给适宜的接口。注：气体传感器需求长时刻供电，由于它们需求预热才干正常作业。本规划中的传感器功耗约为400mW。
为了使体系能够精确作业，PM模块要求让待检测的空气流通起来，因而需求将电扇开上10s(运用1W)，然后PM模块驱动泵作业30s，耗费约450mW。XBee的无线传送功用耗费660mW。整个节点在闲暇形式下将耗费1W的功率。
能量搜集
给室外传感器节点供电的别的一种办法是能量搜集[3]。下面让咱们看看这种计划，经过环境能量搜集给空气质量监督体系供电。
不同于在规划中运用电池或许在传感器节点进行人工干预，经过能量搜集(EH)机制能够完结“设好就忘的一了百了”的规划。为了完结这种电源办理规划，咱们需求超低功耗的电子器材，即电源控制器、低功耗的声光器材(AO)和CMOS开关等等。
运用与信号调理电路相连而且电流在1μA规模的电化学传感器，再加上运用扩展睡觉时刻达95%或以上占空比的无线通讯体系，能够最大程度地延伸传感器节点寿数。这种体系只需求作业一小段时刻，用于传感器复苏、采样、数据处理和无线数据传输。
参阅文献3中的文章评论的SENsor NOde (SENNO)是一种用于监督空气质量的智能专用设备。图6所示的SENNO是可再生能量搜集体系的比方。
图6(a)和(b)显现了SENNO结构。(a)赤色部分包括PCB板上的9个传感器，其间温度(T)和相对湿度(RH)传感器是必要的，由于气体传感器简单受温度和湿度的影响;气压传感器用来精确地相关空气污染数据，(b)蓝色和绿色部分(5种不同的能量搜集模块)是低本钱、低功耗的搜集电路。(图片摘自参阅文献3)
重要的是，电路板上的能量搜集器材能够从环境中提取能量，完结无线节点的自主作业。能够用电池，并依托这些能量搜集器材给电池充电，也能够彻底用这些能量搜集器材替代电池。能量搜集器材都是并行同步作业的。
振荡能量搜集器材中的机械谐振器和热电产生器(TEG)运用凌力尔特公司的电源转化器LTC3109和LTC3330，这两种器材规划优秀，能够从很低的电压源搜集任何剩下的能量，见图7和图8。
图7：LTC3109数据手册主页上的典型运用标明，选用1:100匝比的两个微型外部升压转化器能够完结十分低电压的升压DC/DC转化器。这种电源办理器能够作业在正极性或负极性的输入电压条件下，因而不论TEG温差是正仍是负(或不知道)都能从TEG完结能量搜集。(图片由凌力尔特公司供给)
图8：LTC3330数据手册上的典型运用，显现了太阳能电池(能够包容两个太阳能电池板)、机械谐振器输入和主电池，外加一个超级电容平衡电路。(图片由凌力尔特供给)
在许多场合下SENNO节点专心的都是射频能量搜集器，只能产生很少数的能量;但优势在于比太阳能、压-磁能和热电能愈加安稳。这种环境射频能量搜集器的方针频率是无处不在的500MHz(比方数字电视)、900MHz(ISM频段)和2.45MHz(Wi-Fi和蓝牙)。
参阅文献2还给出了有关WSN网关规划的更多细节，以及在本篇模仿与电源办理文章中没有触及的许多信息体系(IS)内容。
空气质量问题在我国以及其它一些新式经济体特别费事，由于在这些相对较新的增加型经济体中工厂和轿车增速都很快。就像19世纪晚期的工业革命影响美国、英国和欧洲的空气质量相同，咱们现在见到新式经济体正在产生相同的效应，需求政府去控制，并前进民众的污染认识，以维护这些区域居民的身体健康。
