智慧城市急需的环境传感器网络系统设计方案

供的4个低成本电化学气体传感器（NO2， CO， SO2， H2S）、日本神荣科技有限公司提供的1个低成本光学PM检测器、美国国家半导体公司提供的1个温度传感器（LM35CZ）和霍尼韦尔提供的1个相对湿度传感器（HIH-3610系列）。

　　测试中的传感数据以每分钟一次的速度接近实时捕获，同时采用了低成本的同步传感器和参考化学分析仪。数据集只有在经过正确的筛选和验证后才可以使用。在最后的数据处理中，可以用下面的公式1将原始的传感数据转换为针对每个空气污染物的空气质量指数（AQI）。

　　AQI指数的值在0到500范围内。这个值越高，说明空气污染程度越严重，对民众的健康影响就越大。具体来说，AQI值为33表示空气质量非常纯净，很少或几乎没有可能影响民众的健康；AQI值超过150表示空气质量很糟糕，是严重污染，每位居民都将受到严重的健康影响。AQI值为100或100以下时被认为是满意的。当AQI值超过100时，空气质量被认为首先对特定的敏感人群有害，随着指数的上升，将影响到每个人。每隔1小时报告一次日常空气质量被认为是合理的做法。

　　系统可以采用移动和静态传感器监视空气质量。可以采用铅酸电池、太阳能电池或其它电池技术供电。传感器可用于检测CO、颗粒物（PM）和其它大气污染物的任意组合。

　　无线传感器网络

　　下面让我们进一步了解可能在智慧城市中用来监视AQI的无线传感器网络（WSN）。这是介绍环境传感器不可或缺的一部分。

　　无线通信通常会选择ZigBee/IEEE802.15.4协议。部署的无线传感器网络也可以是提供全球定位系统/通用数据包无线服务（GPS/GPRS）的模块。一些系统还利用可穿戴传感设备来捕获空气质量方面的大数据。有时还会利用车载系统。只要车辆靠近，数据就可以通过Wi-Fi热点传送。有时所选择的无线传感器网络（WSN）会通过短信系统（SMS）与用户通信。

　　一个典型的架构

　　参考文献2中所述的系统就是一个很好的例子，让我们来看看这类架构。这种系统整合了传感器节点和它们的网关，还有信息系统（图4）。

　　图4：论文"低成本、快速部署且能量自给的空气质量监视用无线传感器网络"推荐了一种用于监视空气质量的基于无线传感器网络的系统（图片摘自参考文献2）。

　　图4中的网络节点由气象和/或气体传感器组成。在这个系统中，服务器通过服务器网关接收无线传感器网络（WSN）信息，并形成信息系统（IS）。在这个系统中有两种网关：一种是在靠近以太网连接时使用的Zigbee-GSM-以太网，一种是可能使用SMS或GPRS向服务器发送所收集数据的Zigbee-以太网网关。服务器对各种数据流进行处理，并在网络应用中发布结果，供信息管理系统以及该地区的居民浏览和分析。

　　传感器节点

　　参考文献2中的文章重点关注的是室外应用，并使用了一个寻找污染气体的例子；这个例子中的污染气体是一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、臭氧（O3）和二氧化氮（NO2）。

　　所选用的传感器类型有：Alphasense B4型传感器，选用这类传感器的理由是它们具有检测室外低浓度气体的灵敏度和检测范围。

　　独立传感器板（ISB）的设计架构可以提升噪声性能，优化每个传感器的测量质量。颗粒物（PM2.5和PM10）是利用武汉四方光电科技有限公司生产的AM2003模块测量的。然后是用Figaro CDM4161模块检测CO2，用KE-25传感器检测O2浓度。

　　这个研究案例还使用TI的LM35传感器检测空气温度。

　　所有这些传感器都满足环境保护署（EPA）的要求。表1列出了该设计中使用的传感器规范。

　　针对Arduino接口的传感器模拟调节设计

　　由于传感器种类很多，它们又都有自己的输出信号类型，因此设计师需要做一个单独的AFE设计，目的是使每个传感器信号都能兼容基于Atmel ATSAM3X8E μC的Arduino Due模块。最终由Arduino模块收集、整理和处理这些传感器信息后，将数据发给网关。

　　5个独立的Alphasense传感器通过Alphasense ISB一体化传感器电路板将模拟信号输出到Microchip 16位MCP3428 ADC，经模数转换后通过I2C接口输出送至Arduino。PM传感器使用UART与Arduino相连。

　　O2传感器输出信号使用TI的INA122仪器放大器作为传感器和Arduino ADC输入之间的电压接口。

　　最后，利用TI的OPA2336双路运放放大CO2、温度和湿度传感器的信号，使其满足Arduino ADC输入的最佳动态范围要求。图5显示了Arduino Due电路板的框图。

　　图5：框图显示了Arduino Due电路板上ATSAM3X8E微控制器的所有接口。（图片摘自参考文献2）

为了完成设计架构，还要在设计中增加一个美信集成公司的DS3231实时时钟