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

　　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(lái)分析智慧城市或地區(qū)的室外空氣質(zhì)量。這類(lèi)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(hù)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(wàn)人死于環(huán)境或室外空氣污染，有430萬(wàn)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(lái)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(kāi)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(wú)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(lái)，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(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(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(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(hù)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(zhuān)門(mén)的算法對(duì)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(shè)備中，這樣的設(shè)備對(duì)時(shí)尚消費(fèi)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(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(lái)說(shuō)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(lái)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(guò)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(kù)以及針對(duì)安卓操作環(huán)境的應(yīng)用實(shí)例，可以用來(lái)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(lèi)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(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(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(lèi)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(guò)ZigBee或其它低功耗無(wú)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(guò)GSM等無(wú)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(lái)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(chēng)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(guò)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(shuō)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(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(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(guò)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。可以采用鉛酸電池、太陽(yáng)能電池或其它電池技術(shù)供電。傳感器可用于檢測(cè)CO、顆粒物（PM）和其它大氣污染物的任意組合。

　　無(wú)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(lái)監(jiān)視AQI的無(wú)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(wú)線通信通常會(huì)選擇ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議。部署的無(wú)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(wú)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(lái)捕獲空氣質(zhì)量方面的大數(shù)據(jù)。有時(shí)還會(huì)利用車(chē)載系統(tǒng)。只要車(chē)輛靠近，數(shù)據(jù)就可以通過(guò)Wi-Fi熱點(diǎn)傳送。有時(shí)所選擇的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）會(huì)通過(guò)短信系統(tǒng)（SMS）與用戶(hù)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(lái)看看這類(lèi)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(wú)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(wú)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(guò)服務(wù)器網(wǎng)關(guān)接收無(wú)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(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(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。

　　這個(gè)研究案例還使用TI的LM35傳感器檢測(cè)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(lèi)很多，它們又都有自己的輸出信號(hào)類(lèi)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(guò)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(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(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(guò)ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議連接網(wǎng)關(guān)，用于擴(kuò)大無(wú)線通信范圍。之所以選擇這種長(zhǎng)距離的無(wú)線電技術(shù)，是為今后擴(kuò)展無(wú)線覆蓋范圍做準(zhǔn)備。圖4顯示了點(diǎn)到多點(diǎn)類(lèi)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(yáng)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)集中起來(lái)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(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(shè)計(jì)為節(jié)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(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(lái)，因此需要將風(fēng)扇開(kāi)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(wú)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(guò)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(guò)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(kāi)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(wú)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(wú)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(zhuān)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(lái)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(wú)線節(jié)點(diǎn)的自主工作。可以用電池，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(jiàn)圖7和圖8。

　　圖7：LTC3109數(shù)據(jù)手冊(cè)首頁(yè)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(yáng)能電池（可以容納兩個(gè)太陽(yáng)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(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(shì)在于比太陽(yáng)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(wú)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(méi)有涉及的許多信息系統(tǒng)（IS）內(nèi)容。

　　空氣質(zhì)量問(wèn)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(chē)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(jiàn)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。