基于无线传感器网络的智能气体检测系统的研究和管理

摘要

室内环境中的空气质量监测对舒适度和健康状况具有重要意义，特别是现在人们在室内每天花费超过 80％的时间。我们提出一种灵活的无线系统，能够在复杂的大环境中检测污染的空气和危险情况。对于环境智能系统来说，不重要的是要优化平台的功耗，以便能够在电池上使用数年。我们提出一个积极的能源管理系统，涉及三个级别：传感器级别，节点级别和网络级别。我们设计的传感器板是一个无线传感器网络（WSN）节点，具有非常低的睡眠电流消耗（仅 8μA）。它包含两种模式 - 气体传感器和热释电红外（PIR）传感器。该网络是多模式的：它使用来自 PIR 传感器和邻居节点的信息来检测人员的存在并调节节点和金属氧化物半导体（MOX）气体传感器的占空比。通过这种方式，我们减少了节点的活动和能量需求，同时提供可靠的服务。我们模拟了气体传感器活动的环境感知自适应责任循环的益处，并且与持续驱动的气体传感器（几年与几天）相比，我们展现出显着的寿命延长。

关键词 无线传感器网络，气体传感器，金属氧化物半导体技术，能源管理，

人员检测。

I. 介绍

监测室内空气质量（IAQ）对人们的健康和安全非常重要。 现在我们大部分时间都是在室内度过的，因此空气不流通会导致病态建筑综合症（SBS），出现头痛，恶心，头晕，眼睛和咽喉刺激等症状[1]。 此前，通风只能通过 CO2 传感器的信息进行控制。 在最近几年中，挥发性有机化合物（VOC）已被证明可显示出更好的人体舒适度（也能感知房间中的气味）。建筑物中 VOC 的重要来源是人（生物污水），家具，建筑材料，涂料等[2]。 除了舒适性之外，检测危险情况，例如气体泄漏（例如 CH4 或 CO）也非常重要。CH4（甲烷）是天然气的主要成分， 几乎在每个家庭都用于烹饪或烹饪加热。 当它在空气中达到一定浓度时

（5-15％），它是易燃和易爆的[3]。 CO（一氧化碳）来源是烟草烟雾，燃气加热器和炉灶，烟囱泄漏等，它是无色无味无味的，因此不通过传感装置就无法察觉。 如果 CO 数量较少（如 100 ppm），暴露几小时后会引起头痛和头晕。 较高的浓度（如 3200 ppm）会在 5-10 分钟后引起头痛和头晕，并在 30 分钟内死亡。

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非常高浓度（例如 12800 ppm）在几次呼吸后导致昏迷，然后在不到 3 分钟内死亡[4]。

在室内空气质量监测中采用无线传感器网络（WSNs）可降低安装成本。 事实上，无线传感器节点主要由电池供电，虽然它们配备了能量收集单元[5]，但是能源也是一种有限的资源，应该进行一定的资源分配。 无线传感器网络应该具有自主性和自我可持续性，能够在电池供电的情况下运行数年，为了达到这个目标，功耗应该降到最低。 一般来说，无线收发器消耗大量的能量，许多电源管理策略已经对该部分进行资源的限制，以减少它们的活动。 但是，即使传感器可能耗电大，但是气体传感器的功耗也很大，它的功耗与收发器的功耗（通常为 60-70 mW）处于同一数量级，并且大部分时间应该处于活动状态，以检测气体浓度并确保良好的服务质量。 因此，我们需要能耗管理技术来调度耗能传感器和收发器[6]。在传感器系统的文献中有几个例子用于监测 IAQ。 在[7]中， 提出了一种自动化的分散式室内气候控制系统，包括固定有线多气体传感器模块和可穿戴无线设备，但是他们都没有提到系统的能耗。 Postolache 等人[8]提出了一个基于 WiFi 网络用于室内和室外空气质量监测的装置，使用了来自

Figaro 的MOX 传感器阵列[9],MOX 专注于网络上的先进板载处理和数据发布, 传

感器节点的功耗相当高（8 W）。Choi 等人 [10]介绍了基于 Hmote 和 IEEE

802.15.4 / ZigBee 通信协议的空气污染物监测应用传感器板的设计和实现。他们开发了一种自动化的传感器专用电源管理系统，并使用气体传感器的脉冲模式，但目前他们的解决方案能量消耗仍然非常高（约 100 毫安）。 我们通过设计超低功耗节点，专注于瓦斯监测 WSN 的功耗降低。 我们使节点处于睡眠状态的功耗仅为 24μW。 信息与人的存在以及从网络中的其他节点接收到的消息，使得气体传感器占空比的调整适应。 该功能对于实现网络的平均功耗低到足以在电池电源上保存至少一年而不丢失重要信息由于体积小和功率效率高，用于无线传感器网络应用的方便的气体探测器是用金属氧化物半导体（MOX）技术制造在[11]中， 它展示了 MOX 气体传感器的灵敏度，选择性和响应时间如何强烈依赖于传感层温度。 [12]中介绍了三种不同的 MOX 气体传感器的脉冲模式的实质性研究。 从这篇论文中，重点强调与典型的商用现成（COTS）MOX 气体传感器（制造的传感器仅消耗约 9mW）相比数量级的功率节省。在[13]中，作者研究了低功率 CO MOX 传感 器（来自费加罗的 COTS 传感器）在脉冲温度曲线下运行的动态行为，并得出结论：传感器热动力学随着 CO 浓度的变化而变化。 他们建议描述传感器响应形状的两个参数，以提供气体浓度的指示而不管任何校准。 这些论文展示了在脉冲操作模式下努力降低 MOX 气体传感器的功耗的努力。随着最新 COTS 气体传感器的功耗降低，我们决定用 MOX 技术气体传感器开发我们的系统。 我们基于对气体传感器脉冲模式的研究结果进行节点占空比模拟。

从文献中我们注意到 MOX 气体传感器制造的研究领域与网络合作研究领域

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