智慧城市急需的環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò )系統設計方案

　　本文將從模擬與電源管理設計的角度介紹一種典型的環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò )系統設計，它可以用來(lái)分析智慧城市或地區的室外空氣質(zhì)量。這類(lèi)系統的部署可以幫助人們了解日常生產(chǎn)生活中所呼吸的空氣質(zhì)量。一種包含傳感器的閉環(huán)反饋系統，將有助于用戶(hù)和當地政府調整和改善當地的空氣質(zhì)量，從而提高當地人口的健康水平、降低醫療成本、延長(cháng)壽命并改善生活質(zhì)量。

　　全世界的空氣質(zhì)量都在下降。世界衛生組織（WHO）表示，2014年有370萬(wàn)人死于環(huán)境或室外空氣污染，有430萬(wàn)人死于室內或家裝污染。環(huán)境保護署（EPA）針對室內空氣污染有很好的對策。本文將從模擬與電源管理設計的角度介紹一種典型的環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò )系統設計，它可以用來(lái)分析智慧城市或地區的室外空氣質(zhì)量。

　　下面我們將從電化學(xué)傳感器開(kāi)始，因為它們具有超低功耗，而超低功耗是這種系統中采用的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的關(guān)鍵要素。

　　電化學(xué)傳感器

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

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

　　圖2：SPEC傳感器系統使用了可印制的納米結構油墨催化材料和高性能的電子部件：硬件、固件和軟件（智能算法使器件穩定性的增強達十億級），精密模擬前端（AFE），帶微處理器、用于數字信號處理的模數轉換器，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(shí)提供了一種SPEC傳感器的工作框圖。

　　手腕上的氣體傳感器

　　劍橋CMOS傳感器有限公司是AMS集團的一部分，目前正使用其超低功耗的氣體傳感器設計新款的Cling VOC智能健身腕帶，用于測量室內空氣質(zhì)量以及人們呼吸中的酒精成份（也有望用來(lái)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的測量結果可以顯示在腕帶上，向用戶(hù)指示空氣質(zhì)量。腕帶也能夠根據要求提供酒精呼吸分析，因為集成的CCS803氣體傳感器加上專(zhuān)門(mén)的算法對人類(lèi)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(shí)髦外殼的設備中，這樣的設備對時(shí)尚消費者來(lái)說(shuō)極具吸引力。

　　劍橋金屬氧化物（MOX）傳感器使用專(zhuān)門(mén)設計的基于CMOS的微型加熱板平臺，有助于實(shí)現設備的微型化、超低功耗和快速響應時(shí)間，這些特性對可穿戴設備來(lái)說(shuō)都是關(guān)鍵。這些微型加熱板用結實(shí)的二氧化硅薄膜制造，用嵌入式鎢加熱元件來(lái)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(guò)監視MOX傳感器的電阻檢測目標氣體。由于具有快速加熱器循環(huán)時(shí)間，因此可以實(shí)現溫度調制技術(shù)，以便降低器件功耗，實(shí)現先進(jìn)的氣體檢測方法。

　　市場(chǎng)上有帶私有算法的軟件庫以及針對安卓操作環(huán)境的應用實(shí)例，可以用來(lái)幫助設計師將這些傳感器輕松地集成進(jìn)各種便攜式消費類(lèi)應用。

　　智慧城市

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

　　導致空氣質(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(lèi)活動(dòng)，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(lèi)持續吸入污染物達到一定的時(shí)間將會(huì )對健康產(chǎn)生不可逆的損害。

　　傳感器節點(diǎn)可以由部分固定和/或移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)現，也可以安裝到街燈和交通燈上。每個(gè)節點(diǎn)可以通過(guò)ZigBee或其它低功耗無(wú)線(xiàn)協(xié)議將傳感數據傳送到網(wǎng)關(guān)，然后再由網(wǎng)關(guān)通過(guò)GSM等無(wú)線(xiàn)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)布傳感器數據有助于提高公眾的環(huán)保意識，促進(jìn)環(huán)境的持續改善。這些傳感器技術(shù)可以被地方當局和人民群眾用來(lái)獲取環(huán)境數據，并將有關(guān)環(huán)境狀況的實(shí)時(shí)信息告知大多數民眾。

　　參考文獻1中被稱(chēng)為NASUS的傳感器系統集成了英國Alphasense公司提供的4個(gè)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(gè)低成本光學(xué)PM檢測器、美國國家半導體公司提供的1個(gè)溫度傳感器（LM35CZ）和霍尼韋爾提供的1個(gè)相對濕度傳感器（HIH-3610系列）。

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

　　AQI指數的值在0到500范圍內。這個(gè)值越高，說(shuō)明空氣污染程度越嚴重，對民眾的健康影響就越大。具體來(lái)說(shuō)，AQI值為33表示空氣質(zhì)量非常純凈，很少或幾乎沒(méi)有可能影響民眾的健康；AQI值超過(guò)150表示空氣質(zhì)量很糟糕，是嚴重污染，每位居民都將受到嚴重的健康影響。AQI值為100或100以下時(shí)被認為是滿(mǎn)意的。當AQI值超過(guò)100時(shí)，空氣質(zhì)量被認為首先對特定的敏感人群有害，隨著(zhù)指數的上升，將影響到每個(gè)人。每隔1小時(shí)報告一次日?？諝赓|(zhì)量被認為是合理的做法。

　　系統可以采用移動(dòng)和靜態(tài)傳感器監視空氣質(zhì)量?？梢圆捎勉U酸電池、太陽(yáng)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。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　下面讓我們進(jìn)一步了解可能在智慧城市中用來(lái)監視AQI的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信通常會(huì )選擇ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議。部署的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )也可以是提供全球定位系統/通用數據包無(wú)線(xiàn)服務(wù)（GPS/GPRS）的模塊。一些系統還利用可穿戴傳感設備來(lái)捕獲空氣質(zhì)量方面的大數據。有時(shí)還會(huì )利用車(chē)載系統。只要車(chē)輛靠近，數據就可以通過(guò)Wi-Fi熱點(diǎn)傳送。有時(shí)所選擇的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）會(huì )通過(guò)短信系統（SMS）與用戶(hù)通信。

　　一個(gè)典型的架構

　　參考文獻2中所述的系統就是一個(gè)很好的例子，讓我們來(lái)看看這類(lèi)架構。這種系統整合了傳感器節點(diǎn)和它們的網(wǎng)關(guān)，還有信息系統（圖4）。

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

　　圖4中的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)由氣象和/或氣體傳感器組成。在這個(gè)系統中，服務(wù)器通過(guò)服務(wù)器網(wǎng)關(guān)接收無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）信息，并形成信息系統（IS）。在這個(gè)系統中有兩種網(wǎng)關(guān)：一種是在靠近以太網(wǎng)連接時(shí)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)送所收集數據的Zigbee-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。服務(wù)器對各種數據流進(jìn)行處理，并在網(wǎng)絡(luò )應用中發(fā)布結果，供信息管理系統以及該地區的居民瀏覽和分析。

　　傳感器節點(diǎn)

　　參考文獻2中的文章重點(diǎn)關(guān)注的是室外應用，并使用了一個(gè)尋找污染氣體的例子；這個(gè)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(lèi)型有：Alphasense B4型傳感器，選用這類(lèi)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）的設計架構可以提升噪聲性能，優(yōu)化每個(gè)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(gè)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(mǎn)足環(huán)境保護署（EPA）的要求。表1列出了該設計中使用的傳感器規范。

　　針對Arduino接口的傳感器模擬調節設計

　　由于傳感器種類(lèi)很多，它們又都有自己的輸出信號類(lèi)型，因此設計師需要做一個(gè)單獨的AFE設計，目的是使每個(gè)傳感器信號都能兼容基于A(yíng)tmel 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，將數據發(fā)給網(wǎng)關(guān)。

　　5個(gè)獨立的Alphasense傳感器通過(guò)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)模數轉換后通過(guò)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(mǎn)足Arduino ADC輸入的最佳動(dòng)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2）

　　為了完成設計架構，還要在設計中增加一個(gè)美信集成公司的DS3231實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，用于給輸入數據加上精確的時(shí)間戳。

　　microSD用于備份數據存儲，900 MHz XBee-PRO 900HP模塊通過(guò)ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議連接網(wǎng)關(guān)，用于擴大無(wú)線(xiàn)通信范圍。之所以選擇這種長(cháng)距離的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，是為今后擴展無(wú)線(xiàn)覆蓋范圍做準備。圖4顯示了點(diǎn)到多點(diǎn)類(lèi)型的覆蓋范圍拓撲。

　　氣象參數

　　這個(gè)節點(diǎn)用LM35測量空氣溫度，用HTM2500LF測量相對濕度，用氣象儀測量風(fēng)速/風(fēng)向和雨量，用MPX4115A測量氣壓，用SQ-110測量太陽(yáng)輻射量，用SU-110測量紫外線(xiàn)輻射，然后將所有這些傳感器信號集中起來(lái)發(fā)送給Arduino Due。

　　電源

　　在運用快速部署策略的這個(gè)設計中，所有節點(diǎn)需要能量自給自足，因此使用太陽(yáng)能電池和Powerplus S3 12/9電池提供9A·h及12V直流。另外使用了Morningstar SHS-06電源控制器設計為節點(diǎn)、電池和20W及12V直流的Grealtec GAT20P太陽(yáng)能電池之間提供合適的接口。注：氣體傳感器需要長(cháng)期供電，因為它們需要預熱才能正常工作。本設計中的傳感器功耗約為400mW。

　　為了使系統能夠準確工作，PM模塊要求讓待檢測的空氣流通起來(lái)，因此需要將風(fēng)扇開(kāi)上10s（使用1W），然后PM模塊驅動(dòng)泵工作30s，消耗約450mW。XBee的無(wú)線(xiàn)傳送功能消耗660mW。整個(gè)節點(diǎn)在空閑模式下將消耗1W的功率。

　　能量收集

　　給室外傳感器節點(diǎn)供電的另外一種方法是能量收集［3］。下面讓我們看看這種方案，通過(guò)環(huán)境能量收集給空氣質(zhì)量監視系統供電。

　　不同于在設計中使用電池或者在傳感器節點(diǎn)進(jìn)行人工干預，通過(guò)能量收集（EH）機制可以實(shí)現“設好就忘的一勞永逸”的設計。為了實(shí)現這種電源管理設計，我們需要超低功耗的電子器件，即電源控制器、低功耗的聲光器件（AO）和CMOS開(kāi)關(guān)等等。

　　使用與信號調節電路相連并且電流在1μA范圍的電化學(xué)傳感器，再加上使用擴展睡眠時(shí)間達95%或以上占空比的無(wú)線(xiàn)通信系統，可以最大程度地延長(cháng)傳感器節點(diǎn)壽命。這種系統只需要工作一小段時(shí)間，用于傳感器蘇醒、采樣、數據處理和無(wú)線(xiàn)數據傳輸。

　　參考文獻3中的文章討論的SENsor NOde （SENNO）是一種用于監視空氣質(zhì)量的智能專(zhuān)用設備。

　　圖6所示的SENNO是可再生能量收集系統的例子。圖6（a）和（b）顯示了SENNO結構。（a）紅色部分包含PCB板上的9個(gè)傳感器，其中溫度（T）和相對濕度（RH）傳感器是必要的，因為氣體傳感器容易受溫度和濕度的影響；氣壓傳感器用來(lái)精確地關(guān)聯(lián)空氣污染數據，（b）藍色和綠色部分（5種不同的能量收集模塊）是低成本、低功耗的收集電路。（圖片摘自參考文獻3）

　　重要的是，電路板上的能量收集器件可以從環(huán)境中提取能量，實(shí)現無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的自主工作?？梢杂秒姵?，并依靠這些能量收集器件給電池充電，也可以完全用這些能量收集器件代替電池。能量收集器件都是并行同步工作的。

　　振動(dòng)能量收集器件中的機械諧振器和熱電發(fā)生器（TEG）使用凌力爾特公司的電源轉換器LTC3109和LTC3330，這兩種器件設計優(yōu)良，可以從很低的電壓源收集任何剩余的能量，見(jiàn)圖7和圖8。

　　圖7：LTC3109數據手冊首頁(yè)上的典型應用表明，采用1:100匝比的兩個(gè)微型外部升壓轉換器可以實(shí)現非常低電壓的升壓DC/DC轉換器。這種電源管理器能夠工作在正極性或負極性的輸入電壓條件下，因此不管TEG溫差是正還是負（或未知）都能從TEG實(shí)現能量收集。（圖片由凌力爾特公司提供）

　　圖8：LTC3330數據手冊上的典型應用，顯示了太陽(yáng)能電池（可以容納兩個(gè)太陽(yáng)能電池板）、機械諧振器輸入和主電池，外加一個(gè)超級電容平衡電路。（圖片由凌力爾特提供）

　　在許多場(chǎng)合下SENNO節點(diǎn)專(zhuān)注的都是射頻能量收集器，只能產(chǎn)生很少量的能量；但優(yōu)勢在于比太陽(yáng)能、壓-磁能和熱電能更加穩定。這種環(huán)境射頻能量收集器的目標頻率是無(wú)處不在的500MHz（比如數字電視）、900MHz（ISM頻段）和2.45MHz（Wi-Fi和藍牙）。

　　參考文獻2還給出了有關(guān)WSN網(wǎng)關(guān)設計的更多細節，以及在本篇模擬與電源管理文章中沒(méi)有涉及的許多信息系統（IS）內容。

　　空氣質(zhì)量問(wèn)題在中國以及其它一些新興經(jīng)濟體尤其麻煩，因為在這些相對較新的增長(cháng)型經(jīng)濟體中工廠(chǎng)和汽車(chē)增速都很快。就像19世紀晚期的工業(yè)革命影響美國、英國和歐洲的空氣質(zhì)量一樣，我們現在見(jiàn)到新興經(jīng)濟體正在發(fā)生相同的效應，需要政府去管制，并提高民眾的污染意識，以保護這些地區居民的身體健康。