智慧城市急需的環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　本文將從模擬與電源管理設(shè)計(jì)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(jì)，它可以用來分析智慧城市或地區(qū)的室外空氣質(zhì)量。這類系統(tǒng)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(tǒng)，將有助于用戶和當(dāng)?shù)卣{(diào)整和改善當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量，從而提高當(dāng)?shù)厝丝诘慕】邓?、降低醫(yī)療成本、延長壽命并改善生活質(zhì)量。

　　全世界的空氣質(zhì)量都在下降。世界衛(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(duì)室內(nèi)空氣污染有很好的對(duì)策。本文將從模擬與電源管理設(shè)計(jì)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(jì)，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?yàn)樗鼈兙哂谐凸?，而超低功耗是這種系統(tǒng)中采用的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵要素。

　　電化學(xué)傳感器
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　　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(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)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(qiáng)達(dá)十億級(jí)），精密模擬前端（AFE），帶微處理器、用于數(shù)字信號(hào)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(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(tuán)的一部分，目前正使用其超低功耗的氣體傳感器設(shè)計(jì)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(jī)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?yàn)榧傻腃CS803氣體傳感器加上專門的算法對(duì)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(shí)髦外殼的設(shè)備中，這樣的設(shè)備對(duì)時(shí)尚消費(fèi)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(jì)的基于CMOS的微型加熱板平臺(tái)，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的微型化、超低功耗和快速響應(yīng)時(shí)間，這些特性對(duì)可穿戴設(shè)備來說都是關(guān)鍵。這些微型加熱板用結(jié)實(shí)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(shí)間，因此可以實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)制技術(shù)，以便降低器件功耗，實(shí)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(duì)安卓操作環(huán)境的應(yīng)用實(shí)例，可以用來幫助設(shè)計(jì)師將這些傳感器輕松地集成進(jìn)各種便攜式消費(fèi)類應(yīng)用。

　　智慧城市

　　智慧城市的成功取決于運(yùn)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(yùn)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(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(jī)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(shí)間將會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生不可逆的損害。

　　傳感器節(jié)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(xiàn)，也可以安裝到街燈和交通燈上。每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)，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(shí)時(shí)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(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(dǎo)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(duì)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(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(shù)據(jù)集只有在經(jīng)過正確的篩選和驗(yàn)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(duì)每個(gè)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(gè)值越高，說明空氣污染程度越嚴(yán)重，對(duì)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(shí)被認(rèn)為是滿意的。當(dāng)AQI值超過100時(shí)，空氣質(zhì)量被認(rèn)為首先對(duì)特定的敏感人群有害，隨著指數(shù)的上升，將影響到每個(gè)人。每隔1小時(shí)報(bào)告一次日?？諝赓|(zhì)量被認(rèn)為是合理的做法。

　　系統(tǒng)可以采用移動(dòng)和靜態(tài)傳感器監(jiān)視空氣質(zhì)量?？梢圆捎勉U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。

　　無線傳感器網(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(huì)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(shí)還會(huì)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(diǎn)傳送。有時(shí)所選擇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）會(huì)通過短信系統(tǒng)（SMS）與用戶通信。

　　一個(gè)典型的架構(gòu)

　　參考文獻(xiàn)2中所述的系統(tǒng)就是一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)由氣象和/或氣體傳感器組成。在這個(gè)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(gè)系統(tǒng)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(shù)據(jù)的Zigbee-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。服務(wù)器對(duì)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。

　　傳感器節(jié)點(diǎn)

　　參考文獻(xiàn)2中的文章重點(diǎn)關(guān)注的是室外應(yīng)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(dú)立傳感器板（ISB）的設(shè)計(jì)架構(gòu)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足環(huán)境保護(hù)署（EPA）的要求。表1列出了該設(shè)計(jì)中使用的傳感器規(guī)范。

　　針對(duì)Arduino接口的傳感器模擬調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

　　由于傳感器種類很多，它們又都有自己的輸出信號(hào)類型，因此設(shè)計(jì)師需要做一個(gè)單獨(dú)的AFE設(shè)計(jì)，目的是使每個(gè)傳感器信號(hào)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(gè)獨(dú)立的Alphasense傳感器通過Alphasense ISB一體化傳感器電路板將模擬信號(hào)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(hào)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(yùn)放放大CO2、溫度和濕度傳感器的信號(hào)，使其滿足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(xiàn)2）

　　為了完成設(shè)計(jì)架構(gòu)，還要在設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)加上精確的時(shí)間戳。

　　microSD用于備份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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(diǎn)到多點(diǎn)類型的覆蓋范圍拓?fù)洹?/p>

　　氣象參數(shù)

　　這個(gè)節(jié)點(diǎn)用LM35測量空氣溫度，用HTM2500LF測量相對(duì)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測量太陽輻射量，用SU-110測量紫外線輻射，然后將所有這些傳感器信號(hào)集中起來發(fā)送給Arduino Due。

　　電源

　　在運(yùn)用快速部署策略的這個(gè)設(shè)計(jì)中，所有節(jié)點(diǎn)需要能量自給自足，因此使用太陽能電池和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(shè)計(jì)為節(jié)點(diǎn)、電池和20W及12V直流的Grealtec GAT20P太陽能電池之間提供合適的接口。注：氣體傳感器需要長期供電，因?yàn)樗鼈冃枰A(yù)熱才能正常工作。本設(shè)計(jì)中的傳感器功耗約為400mW。

　　為了使系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確工作，PM模塊要求讓待檢測的空氣流通起來，因此需要將風(fēng)扇開上10s（使用1W），然后PM模塊驅(qū)動(dòng)泵工作30s，消耗約450mW。XBee的無線傳送功能消耗660mW。整個(gè)節(jié)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(jié)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，通過環(huán)境能量收集給空氣質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)供電。

　　不同于在設(shè)計(jì)中使用電池或者在傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行人工干預(yù)，通過能量收集（EH）機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)“設(shè)好就忘的一勞永逸”的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)這種電源管理設(shè)計(jì)，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開關(guān)等等。

　　使用與信號(hào)調(diào)節(jié)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(kuò)展睡眠時(shí)間達(dá)95%或以上占空比的無線通信系統(tǒng)，可以最大程度地延長傳感器節(jié)點(diǎn)壽命。這種系統(tǒng)只需要工作一小段時(shí)間，用于傳感器蘇醒、采樣、數(shù)據(jù)處理和無線數(shù)據(jù)傳輸。

　　參考文獻(xiàn)3中的文章討論的SENsor NOde （SENNO）是一種用于監(jiān)視空氣質(zhì)量的智能專用設(shè)備。

　　圖6所示的SENNO是可再生能量收集系統(tǒng)的例子。圖6（a）和（b）顯示了SENNO結(jié)構(gòu)。（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(duì)濕度（RH）傳感器是必要的，因?yàn)闅怏w傳感器容易受溫度和濕度的影響；氣壓傳感器用來精確地關(guān)聯(lián)空氣污染數(shù)據(jù)，（b）藍(lán)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(xiàn)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(xiàn)無線節(jié)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(jī)械諧振器和熱電發(fā)生器（TEG）使用凌力爾特公司的電源轉(zhuǎn)換器LTC3109和LTC3330，這兩種器件設(shè)計(jì)優(yōu)良，可以從很低的電壓源收集任何剩余的能量，見圖7和圖8。

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

　　圖8：LTC3330數(shù)據(jù)手冊上的典型應(yīng)用，顯示了太陽能電池（可以容納兩個(gè)太陽能電池板）、機(jī)械諧振器輸入和主電池，外加一個(gè)超級(jí)電容平衡電路。（圖片由凌力爾特提供）

　　在許多場合下SENNO節(jié)點(diǎn)專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)勢在于比太陽能、壓-磁能和熱電能更加穩(wěn)定。這種環(huán)境射頻能量收集器的目標(biāo)頻率是無處不在的500MHz（比如數(shù)字電視）、900MHz（ISM頻段）和2.45MHz（Wi-Fi和藍(lán)牙）。

　　參考文獻(xiàn)2還給出了有關(guān)WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的更多細(xì)節(jié)，以及在本篇模擬與電源管理文章中沒有涉及的許多信息系統(tǒng)（IS）內(nèi)容。

　　空氣質(zhì)量問題在中國以及其它一些新興經(jīng)濟(jì)體尤其麻煩，因?yàn)樵谶@些相對(duì)較新的增長型經(jīng)濟(jì)體中工廠和汽車增速都很快。就像19世紀(jì)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(xiàn)在見到新興經(jīng)濟(jì)體正在發(fā)生相同的效應(yīng)，需要政府去管制，并提高民眾的污染意識(shí)，以保護(hù)這些地區(qū)居民的身體健康。