智慧城市急需這種環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(zhǎng)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

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(cè)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(zhǎng)的電池壽命，甚至能量收集電源也有了顯著進(jìn)步。

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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)方法。

市場(chǎng)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(guó)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(cè)器、美國(guó)國(guó)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(cè)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。

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(dòng)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(cè)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(cè)室外低濃度氣體的靈敏度和檢測(cè)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(cè)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(cè)量的。

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

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。

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(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(zhǎng)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(cè)量空氣溫度，用HTM2500LF測(cè)量相對(duì)濕度，用氣象儀測(cè)量風(fēng)速/風(fēng)向和雨量，用MPX4115A測(cè)量氣壓，用SQ-110測(cè)量太陽輻射量，用SU-110測(cè)量紫外線輻射，然后將所有這些傳感器信號(hào)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(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(shì)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(guó)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(zhǎng)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(guó)、英國(guó)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。