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。