智慧城市急需的环境传感器网络系统设计方案

芯片，用于给输入数据加上精确的时间戳。

　　microSD用于备份数据存储，900 MHz XBee-PRO 900HP模块通过ZigBee/IEEE802.15.4协议连接网关，用于扩大无线通信范围。之所以选择这种长距离的无线电技术，是为今后扩展无线覆盖范围做准备。图4显示了点到多点类型的覆盖范围拓扑。

　　气象参数

　　这个节点用LM35测量空气温度，用HTM2500LF测量相对湿度，用气象仪测量风速/风向和雨量，用MPX4115A测量气压，用SQ-110测量太阳辐射量，用SU-110测量紫外线辐射，然后将所有这些传感器信号集中起来发送给Arduino Due。

　　电源

　　在运用快速部署策略的这个设计中，所有节点需要能量自给自足，因此使用太阳能电池和Powerplus S3 12/9电池提供9A·h及12V直流。另外使用了Morningstar SHS-06电源控制器设计为节点、电池和20W及12V直流的Grealtec GAT20P太阳能电池之间提供合适的接口。注：气体传感器需要长期供电，因为它们需要预热才能正常工作。本设计中的传感器功耗约为400mW。

　　为了使系统能够准确工作，PM模块要求让待检测的空气流通起来，因此需要将风扇开上10s（使用1W），然后PM模块驱动泵工作30s，消耗约450mW。XBee的无线传送功能消耗660mW。整个节点在空闲模式下将消耗1W的功率。

　　能量收集

　　给室外传感器节点供电的另外一种方法是能量收集［3］。下面让我们看看这种方案，通过环境能量收集给空气质量监视系统供电。

　　不同于在设计中使用电池或者在传感器节点进行人工干预，通过能量收集（EH）机制可以实现"设好就忘的一劳永逸"的设计。为了实现这种电源管理设计，我们需要超低功耗的电子器件，即电源控制器、低功耗的声光器件（AO）和CMOS开关等等。

　　使用与信号调节电路相连并且电流在1μA范围的电化学传感器，再加上使用扩展睡眠时间达95%或以上占空比的无线通信系统，可以最大程度地延长传感器节点寿命。这种系统只需要工作一小段时间，用于传感器苏醒、采样、数据处理和无线数据传输。

　　参考文献3中的文章讨论的SENsor NOde （SENNO）是一种用于监视空气质量的智能专用设备。

　　图6所示的SENNO是可再生能量收集系统的例子。图6（a）和（b）显示了SENNO结构。（a）红色部分包含PCB板上的9个传感器，其中温度（T）和相对湿度（RH）传感器是必要的，因为气体传感器容易受温度和湿度的影响；气压传感器用来精确地关联空气污染数据，（b）蓝色和绿色部分（5种不同的能量收集模块）是低成本、低功耗的收集电路。（图片摘自参考文献3）

　　重要的是，电路板上的能量收集器件可以从环境中提取能量，实现无线节点的自主工作。可以用电池，并依靠这些能量收集器件给电池充电，也可以完全用这些能量收集器件代替电池。能量收集器件都是并行同步工作的。

　　振动能量收集器件中的机械谐振器和热电发生器（TEG）使用凌力尔特公司的电源转换器LTC3109和LTC3330，这两种器件设计优良，可以从很低的电压源收集任何剩余的能量，见图7和图8。

　　图7：LTC3109数据手册首页上的典型应用表明，采用1:100匝比的两个微型外部升压转换器可以实现非常低电压的升压DC/DC转换器。这种电源管理器能够工作在正极性或负极性的输入电压条件下，因此不管TEG温差是正还是负（或未知）都能从TEG实现能量收集。（图片由凌力尔特公司提供）

　　图8：LTC3330数据手册上的典型应用，显示了太阳能电池（可以容纳两个太阳能电池板）、机械谐振器输入和主电池，外加一个超级电容平衡电路。（图片由凌力尔特提供）

　　在许多场合下SENNO节点专注的都是射频能量收集器，只能产生很少量的能量；但优势在于比太阳能、压-磁能和热电能更加稳定。这种环境射频能量收集器的目标频率是无处不在的500MHz（比如数字电视）、900MHz（ISM频段）和2.45MHz（Wi-Fi和蓝牙）。

　　参考文献2还给出了有关WSN网关设计的更多细节，以及在本篇模拟与电源管理文章中没有涉及的许多信息系统（IS）内容。

　　空气质量问题在中国以及其它一些新兴经济体尤其麻烦，因为在这些相对较新的增长型经济体中工厂和汽车增速都很快。就像19世纪晚期的工业革命影响美国、英国和欧洲的空气质量一样，我们现在见到新兴经济体正在发生相同的效应，需要政府去管制，并提高民众的污染意识，以保护这些地区居民的身体健康。