智慧城市急需的环境传感器网络系统设计方案

　　本文将从模拟与电源管理设计的角度介绍一种典型的环境传感器网络系统设计，它可以用来分析智慧城市或地区的室外空气质量。这类系统的部署可以帮助人们了解日常生产生活中所呼吸的空气质量。一种包含传感器的闭环反馈系统，将有助于用户和当地政府调整和改善当地的空气质量，从而提高当地人口的健康水平、降低医疗成本、延长寿命并改善生活质量。

　　全世界的空气质量都在下降。世界卫生组织（WHO）表示，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。环境保护署（EPA）针对室内空气污染有很好的对策。本文将从模拟与电源管理设计的角度介绍一种典型的环境传感器网络系统设计，它可以用来分析智慧城市或地区的室外空气质量。

　　下面我们将从电化学传感器开始，因为它们具有超低功耗，而超低功耗是这种系统中采用的无线传感器节点的关键要素。

　　电化学传感器
 

　　某些最老的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代，它们主要用于监测氧气。

　　图1：自2012年以来，电化学气体传感器的尺寸实现了数量级的改进。但是尺寸并不是唯一的改进，更低的功耗给系统提供了更长的电池寿命，甚至能量收集电源也有了显着进步。（图片由KWJ Engineering和SPEC传感器提供）

　　图2：SPEC传感器系统使用了可印制的纳米结构油墨催化材料和高性能的电子部件：硬件、固件和软件（智能算法使器件稳定性的增强达十亿级），精密模拟前端（AFE），带微处理器、用于数字信号处理的模数转换器，以及物联网接口。（图片由KWJ Engineering和SPEC传感器提供）

　　电化学传感器似乎是目前业界最低功耗的解决方案。这种传感器只有纳瓦到毫瓦的功耗，而且一氧化碳（CO）和硫化氢（H2S）传感器不需要偏置电压。

　　图3：电化学传感器的基本工作原理图， 同时提供了一种SPEC传感器的工作框图。

　　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，目前正使用其超低功耗的气体传感器设计新款的Cling VOC智能健身腕带，用于测量室内空气质量以及人们呼吸中的酒精成份（也有望用来防止酒驾和醉驾）。

　　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的测量结果可以显示在腕带上，向用户指示空气质量。腕带也能够根据要求提供酒精呼吸分析，因为集成的CCS803气体传感器加上专门的算法对人类呼吸中的乙醇成份非常敏感。CCS8xx系列气体传感器的外形小而薄，因此可以用在像Cling VOC那样拥有超薄时髦外壳的设备中，这样的设备对时尚消费者来说极具吸引力。

　　剑桥金属氧化物（MOX）传感器使用专门设计的基于CMOS的微型加热板平台，有助于实现设备的微型化、超低功耗和快速响应时间，这些特性对可穿戴设备来说都是关键。这些微型加热板用结实的二氧化硅薄膜制造，用嵌入式钨加热元件来加热基于MOX的传感材料。这种传感检测材料能够被加热到500℃，可以很方便地通过监视MOX传感器的电阻检测目标气体。由于具有快速加热器循环时间，因此可以实现温度调制技术，以便降低器件功耗，实现先进的气体检测方法。

　　市场上有带私有算法的软件库以及针对安卓操作环境的应用实例，可以用来帮助设计师将这些传感器轻松地集成进各种便携式消费类应用。

　　智慧城市

　　智慧城市的成功取决于运用低成本但高精度的环境传感器连续监视一般城市和特大城市空气质量的能力。

　　导致空气质量差并最终影响居民健康的因素主要是交通运输、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）、悬浮颗粒和灰尘、重金属、花粉的主要排放源。人类持续吸入污染物达到一定的时间将会对健康产生不可逆的损害。

　　传感器节点可以由部分固定和/或移动的传感器网络实现，也可以安装到街灯和交通灯上。每个节点可以通过ZigBee或其它低功耗无线协议将传感数据传送到网关，然后再由网关通过GSM等无线网络发送到控制中心。还可以生成城市污染图供今后分析。

　　在互联网上发布传感器数据有助于提高公众的环保意识，促进环境的持续改善。这些传感器技术可以被地方当局和人民群众用来获取环境数据，并将有关环境状况的实时信息告知大多数民众。

参考文献1中被称为NASUS的传感器系统集成了英国Alphasense公司提