让我们清楚一下:环境传感器网络的模拟和电源管理

世界各地的空气质量正在恶化。世界卫生组织(WHO)指出,2014年有300万人死于环境或室外空气污染,430万人死于室内或家庭污染。环境保护局(EPA)在这里对室内空气进行了良好的处理


在本文中,我将概述典型的环境传感器网络系统设计,用于分析可在智能城市或地区使用的模拟和电源管理设计方面的室外空气。这种类型的系统部署有助于提高人们对日常生活中呼吸的空气质量的认识。目标将是一个封闭的反馈系统,其中包括有利于用户和地方当局的传感器,可以调整和微调改善区域内空气的努力,以改善健康,降低医疗成本,延长寿命和质量。当地人口的生活。


我将从电化学传感器开始,因为它们的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


一些最古老的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代,用于氧气监测。

 

 

 

图1自2012年以来,电化学气体传感器的尺寸已超过一个数量级的跳跃。但尺寸不是唯一的改进; 更低的功率使系统延长了电池寿命,甚至能量收集功率也得到了提升。(图片由KWJ EngineeringSPEC传感器提供

 

 

 


图2 SPEC传感器系统使用可打印的纳米结构墨水催化剂材料与高性能电子元件相结合:硬件,固件和软件(智能算法增强了十亿分之一级的稳定性),精密模拟前端(AFE),A到D转换器带有用于数字信号调理的微处理器和IoT接口。(图片由KWJ EngineeringSPEC传感器提供

 

电化学传感器似乎是当今业界最低功耗的解决方案。传感器实际上产生纳瓦到微瓦的功率加上一氧化碳(CO 2)和硫化氢(H 2 S)传感器不需要偏置电位。

 

 

 

图3这里我们有一个显示电化学传感器基本操作的图表。还提供SPEC传感器操作概述

 

手腕上的气体传感器


作为ams集团的一部分,剑桥CMOS传感器有限公司正在使用其超低功率气体传感器,使新的Cling VOC智能健身腕带能够测量室内空气质量以及人体呼吸中的酒精(很有希望防止DUI和DWI为好)。

集成在Cling VOC腕带中CCS801气体传感器能够检测室内通常存在的低水平VOC(挥发性有机化合物)。在这个腕带中,这些VOC测量值为用户提供了显示在乐队上的空气质量的指示。腕带还能够按需提供酒精呼吸分析,因为具有专门算法的集成CCS803气体传感器对人体呼吸中乙醇的存在敏感。CCS8xx系列气体传感器占地面积小,外形小巧,可用于Cling VOC等超薄外壳中的设备,旨在吸引时尚消费者。

剑桥金属氧化物(MOX)传感器采用专门的基于CMOS的微加热板平台,可实现器件小型化,超低功耗和快速响应时间,这对可穿戴设备至关重要。这些微型加热板由坚固的二氧化硅膜构成,并具有嵌入式钨加热元件,用于加热基于MOX的传感材料。该传感材料能够加热到500°C,这使得MOX传感器的电阻能够被监控以检测目标气体。通过具有快速加热器循环时间,可以实施温度调制云顶集团国际娱乐网址以降低设备功耗并实施先进的气体感测云顶线上娱乐。

具有专有算法的软件库以及Android操作环境的示例应用程序可用于使这些传感器轻松集成到各种便携式消费类应用程序中。

智慧城市1

智能城市的成功取决于能否使用低成本但精确的环境传感器来持续监控城市和大城市的空气质量。

 贡献者差空气质量和居民的最终健康通常可能是由于运输,道路交通,家用加热,云顶娱乐4008废气,和其他地方人为动作是有毒气体(氮氧化物,O-的主要排放源3,CO,SO 2,NH 3,H 2 S),挥发性有机化合物(苯,甲苯,二甲苯),多环芳烃(PAH),温室气体(CO 2,CH 4,N 2O),颗粒物(PM10PM2.5),PM1.0是直径小于10微米的颗粒,气溶胶和灰尘,重金属,环境中的花粉。人类长时间吸入污染物会对其健康造成不可逆转的损害。

传感器节点可以是固定和/或移动传感器网络的一部分,也可以连接到路灯和交通信号灯。每个节点可以通过ZigBee或其他低功率无线协议将感测数据发送到网关,然后网关将通过诸如GSM的无线网络将数据发送到控制中心。将创建城市污染的绘图以供进一步分析。

在互联网上发布传感器数据可以提高公众意识并参与环境可持续性。这些传感器云顶集团国际娱乐网址可以通过让公共当局和公众参与获取环境数据,并允许大多数公民获得有关环境条件的实时信息。

传感器系统在参考文献1中称为NASUSAlphasense Ltd(英国)配备了4个低成本电化学气体传感器(NO 2,CO,SO 2,H 2 S),Shinyei Technology Co Ltd(日本)的一个低成本光学PM探测器,一个温度传感器美国国家半导体的LM35CZ)和霍尼韦尔一个相对湿度传感器HIH-3610系列)。

 

测试中的传感数据几乎是以每分钟1的速度实时获得,同时采用同步的低成本传感器和参考化学分析仪。数据集仅在经过适当的筛选和验证后才可用。在最后一步中,数据处理可以使用以下等式1将原始传感数据转换为每种空气污染物的空气质量指数(AQI)

 

 

AQI数字范围从0到500.AQI值越高,空气污染程度越高,因此对居民的健康关注度越高。从正确的角度来看,AQI值为33表示非常清洁的空气,很少或根本不会影响居民的健康; 超过150的AQI值代表空气质量如此危险和严重污染,几乎每个居民都可能受到严重的健康影响。AQI值等于或低于100被认为是令人满意的。当AQI值高于100时,对于某些敏感人群而言,空气质量最初被认为是不健康的,然后随着AQI值的增加,每个人都认为空气质量不健康。平均每小时报告每日空气质量被认为是一种良好做法。请参阅此中国空气质量指数报告 适用于各个城市。

 系统可以使用移动和静态传感器来监控空气质量。可以使用铅酸或其他电池云顶集团国际娱乐网址和太阳能电池获得功率。传感器可以用于CO,颗粒物质(PM)以及其他空气污染物的任何其他组合。

     无线传感器网络2

让我们仔细看看可以在智能城市中使用的无线传感器网络(WSN)来监控AQI。这是环境传感器故事中不可或缺的一部分。

对于无线通信,有时会选择ZigBee / IEEE802.15.4协议。部署的无线传感器网络也可以是用于全球定位系统/通用分组无线电服务GPS / GPRS)的模块。一些系统还采用可穿戴传感器设备,捕获大量空气质量数据。有时也可以采用汽车安装系统。只要车辆靠近,数据就可以通过Wi-Fi热点传输。有时选择无线传感器网络(WSN)以及通过短消息系统(SMS)与用户的通信。

 典型架构的一个例子2

参考文献2中的系统是一个很好的例子,所以我们将其视为众多架构中的一种。该系统具有传感器节点及其网关和信息系统(图4)。

 

 

图4论文“低成本,快速部署和能量自主无线传感器网络空气质量监测”提出了用于空气质量监测的无线传感器的基于网络的系统(图片提供的参考ENCE 2

 

图4中的网络节点可以由气象和/或气体传感器组成。在此系统中,服务器将通过形成信息系统(IS)的服务器端网关接收WSN信息。在该系统中,存在两种网关:在接近以太网连接时使用的Zigbee-GSM-以太网和可以使用SMS或GPRS向服务器发送其收集的数据的Zigbee-to-Ethernet网关。服务器处理各种数据流并将结果发布在Web应用程序中,该应用程序可供信息系统管理以及生活在该区域的人员查看和分析。

传感器节点

参考文献2中的论文侧重于户外应用,并使用了寻找污染气体的例子; 在这种情况下,一氧化碳(CO),二氧化硫(SO 2),硫化氢(H 2 S),臭氧(O 3)和二氧化氮(NO 2)。

选择的传感器类型如下:

  • 一个Alphasense公司B4型是由于它们的灵敏度和检测范围用于感测这样的事情低室外气体浓度的存在下选择。
  • 单个传感器板(ISB)的设计采用了改善噪声性能的架构,以优化每个传感器的测量质量。通过武汉立方光电子公司制造AM2003模块测量颗粒物质(PM2.5和PM10)
  • 接下来我们有一个用于检测CO 2Figaro CDM4161模块和一个用于O 2百分比KE-25传感器
  • 该研究使用德州仪器TILM35传感器测量空气温度。

所有这些传感器均符合环境保护局(EPA)的要求。表1列出了本设计中使用的传感器规格。

 

表1 WSN系统的传感器规格(图片由参考文献2提供

 

 

 

Arduino接口的传感器模拟调节设计 

由于有许多不同的传感器具有各自类型的输出信号,设计人员需要进行离散AFE设计,目标是使每个传感器信号与基于AtmelATSAM3X8EμCArduino Due模块兼容Arduino模块最终收集传感器信息并对其进行集成并对其进行处理,然后将其发送到网关。

通过Alphasense ISB集成传感器板,五个单独的Alphasense传感器将模拟信号输出到Microchip 16位MCP3428 ADC,并通过I 2 C接口输出发送到Arduino。PM传感器使用UART与Arduino连接。

2传感器输出信号使用Texas Instruments INA122仪表放大器作为传感器和Arduino ADC输入之间的电压接口。

最后,CO 2,温度和湿度传感器使用德州仪器OPA2336双运算放大器放大传感器信号,以获得Arduino ADC输入的最佳动态范围。有关Arduino Due板的框图,请参见图5

 

 

图5显示Arduino Due板ATSAM3X8E微控制器的所有接口的框图。(图片由参考文献2提供

为了完善设计架构,Maxim Integrated DS3231实时时钟被添加到设计中,以准确地为输入数据加时间戳。

对于备份数据存储,使用microSD,对于远程无线通信,900 MHz XBee-PRO 900HP模块通过ZigBee / IEEE802.15.4协议连接到网关。为设计选择了这种远程无线电,以便为将来扩展无线范围和覆盖范围做好准备。图4显示了点对多点类型的覆盖拓扑。

气象参数

这个节点测量空气温度与LM35,用相对湿度HTM2500LF,风速/方向和雨量计用耐候仪,用一个大气压MPX4115A,与太阳辐射SQ-110,并用紫外线辐射SU-110该节点还接收所有传感器信号并将它们发送到Arduino Due。

电源

在采用快速部署方面的设计中,所有节点都需要能量自主,因此太阳能电池和Powerplus S3 12/9电池可提供9 Ah @ 12VDC。晨星SHS-06电源控制器被用来设计,以提供节点,电池和之间的适当接口Grealtec GAT20P 能够20W @ 12VDC太阳能电池。注意:由于需要预热时间才能正常工作,因此气体传感器需要永久供电。这种设计中的传感器消耗约400 mW。  

 

为了使系统正常工作,PM模块需要检测到空气通风,因此使用风扇(使用1W)10秒钟。然后,PM模块使用450 mW使泵运行30秒。XBee的无线传输功率为660 mW。整个节点在空闲模式下将消耗1W。
能量收集

另一种可用于为室外传感器节点供电的选项是Energy Harvesting 3我们来看看这个选项。  

通过环保能源为空气质量监测系统提供动力3

不是在这样的设计中使用电池或甚至在传感器节点处的任何人为干预,而是通过能量收集(EH)方案的“设置和忘记”设计是可能的。为了实现这种电源管理设计,我们需要超低功耗电子设备。这意味着功率控制器,低功率声光(AO)和CMOS开关等。

使用连接到信号调节电路的电化学传感器,其具有1μA的电源电流,结合使用基于延长的睡眠时间的占空比达95%的无线通信系统,将使传感器节点的寿命最大化。系统只需开启一段时间即可进行传感器预热,采样,数据处理和无线数据传输。

参考文献3中的论文讨论了SENsor NOde(SENNO)作为监控空气质量的智能专用设备。我们在图6中看到了可再生能量收集系统的一般示例,表示为SENNO 

 

 

图6(a)和(b)显示了SENNO结构。(a)RED区域包含PC板上的九个传感器,其中显示温度(T)和相对湿度(RH)传感器,因为气体传感器受温度和湿度的影响; 需要使用气压传感器来准确地关联空气污染物的数据;(b)蓝色和绿色的区域(五个多样化的能量采集区)是低成本,低功率的采伐区(图片由Refer提供)3

实质上,船上的能量收集设备可以从环境中提取能量以用于无线节点的自主操作。可以使用电池并用这些能量收集装置重新充电或完全由它们替换。EH设备全部协调工作。

振动EH设备和热电发电机(TEG)中的机械谐振器使用力尔特公司的功率转换器LTC3109LTC3330,它们设计用于从极低电压源收集任何剩余能量。见图7和8。

 

 

图7 LTC3109数据手册首页的典型应用,显示了两个微小的外部升压变压器,其比率为1:100,可产生极低压升压DC / DC转换器。该电源管理器能够从正极性或负极性的输入电压进行操作。这种能力可以在TEG上的温差可能是(或未知)极性的应用中从TEG中获取能量。(图片由凌力尔特公司提供)

LTC3109

数据表首页显示了两个微小的外部升压变压器,其比率为1:100,可创建极低压升压型DC / DC转换器。该电源管理器能够从正极性或负极性的输入电压进行操作。这种能力可以在TEG上的温差可能是(或未知)极性的应用中从TEG中获取能量。(图片由凌力尔特公司提供)

 

 

 

 

图8 LTC3330数据表中的典型应用,显示太阳能(可容纳两个太阳能电池板)和机械谐振器输入和原电池,以及超级电容器平衡电路。(图片由凌力尔特公司提供)

LTC3330

数据表显示太阳能(可容纳两个太阳能电池板)和机械谐振器输入和原电池,加上超级电容器平衡电路。(图片由凌力尔特公司提供)

 

 

SENNO节点在许多情况下都专注于射频能量采集器,它只能产生少量能量; 但优点是输入比太阳能,压电磁和热电更稳定。环境RF能量采集器的目标频率是500MHz(例如数字电视),900MHz(ISM频带)和2.45GHz(Wi-Fi和蓝牙),它们无处不在。

 

参考文献2中有更多细节 关于WSN网关设计,以及我将不在此模拟和电源管理文章中介绍的信息系统(IS)。

 

中国和其他一些新兴经济体的空气质量特别棘手,因为发电厂和汽车在这些相对较新的和不断增长的经济体中激增。正如在晚19云顶娱乐4008革命世纪在美国,英国和海外在欧洲影响空气质量,我们现在看到的同样的效果在新的经济,将需要政府的控制以及人口意识,保护的健康状况发生这些地区的公民。

 

我们不能忘记美国的空气污染问题,因为我们自己也有很多工作要做。您对此主题有何看法?

用户喜欢...

电源管理集成电路(PMIC)如何减少这些挑战的影响

在设计具有现场可编程门阵列(FPGA)的系统时,系统设计人员可以获得三个好处:可重编程性,性能可扩展性和快速上市时间。但是,设计师也必须克服挑战。在这篇文章中,我将讨论电源管...


工作在Sub-GHz频段的无线模块为传感器网络提供了一条更加简单的途径

为了提高我们生活的方式的效率,云顶娱乐4008化世界变得更加自动化。除了财务影响之外,提高效率可以对环境产生积极影响,因为我们使用的自然资源更少,污染物也更少。 自动化以需要以数据形...


苛刻的环境挑战电源管理

基于数据的预测建模为云顶娱乐4008系统监控提供了极大的节约成本的可能性,这将进一步促进工厂和制造业的自动化,并协助翻新运输和能源传输基础设施。对数据的需求将要求云顶娱乐4008界用与物联网(...


[原创] TI TIDA-01501 450W高效电源参考设计

TI公司的TIDA-01501是450W高效AC/DC转换器,AC输入85V-265V,多路DC输出12-V/5-V/3.3-V,最大输出功率450W.设计电路包括前端连续模式...


[原创] T PWD13F60高密度600V功率驱动器解决方案

ST公司的PWD13F60是集成了栅极驱动器和四个N沟功率MOSFET(双半桥配置)高密度功率驱动器.功率MOSFET有320 mΩ的RDS(on)和600...


[原创] ADI AD8452模拟前端控制器和SMPS PWM驱动器解决方案

ADI公司的AD8452是单一的硅芯片平台,集成了精密模拟前端控制器和开关电源(SMPS)脉宽调制器(PWM)驱动器,以实现大规模电...


[原创] Rohm BD99954应用处理器锂电池充电管理方案

Rohm公司的BD99954是1到4节锂电池双模式充电管理器,小型5.0x5.0mm QFN封装和2.6x3.0mm芯片级CSP封装,提供双源电池充电器,两个...


[原创] Linear LTC2992双路电源电压电流和功率监测解决方案

Linear公司的LTC2992是可测量两个电源电流,电压和功率的双路电源监测器,工作电压2.7V-100V,采用并联电阻可测量到大于...


运行在低于​​GHz频段的无线模块为传感器网络提供了一个更简单的途径

为了提高我们的生活方式,云顶娱乐4008化世界变得更加自动化。除了具有财务影响之外,提高效率还可以对环境产生积极的影响,因为我们使用的自然资源更少,污染物也更少。 自动化以需要以数据...


[原创] ST STWBC-WA可穿戴无线充电发送解决方案

ST公司的STWBC-WA是用于智能手表和可穿戴的无线充电发送器的数字控制器,最佳控制功率小于3W, VIN范围3V-5.5V,支持USB V...


大联大品佳集团推出基于NXP,Nexperia和Infineon产品的15W无线充电解决方案

致力于亚太地区市场的领先半导体元器件分销商---大联大控股宣布,其旗下品佳推出基于NXP,Nexperia和Infineon产品的...


[原创] PowerIntInnoSwitch 3-CP系列30W USB充电器参考设计DER-631

PowerInt公司的InnoSwitch3-CP系列集成了650V/725V MOSFET的离线CV/CC QR反激开关IC,在单片IC内集成了初级和次级控制器以及安全...


[原创] TI TIDA-00951 2kW UPS电源双向DC变换参考设计

TI公司的TIDA-00951是2kW UPS电源双向DC/DC转换器参考设计,工作电压从36 到 60V电池组和300到400-V DC总线,效率大于93%,通信接...


[原创] Infineon ICE5QR1070AZ33W电冰箱辅助电源设计方案

Infineon公司的ICE5QR1070AZ是第五代准谐振CoolSET系列产品,封装内有两个芯片:控制器芯片和HV MOSFET芯片.器件包括700 V/800...


[原创] ADI AD8452电池测试精密模拟前端解决方案

ADI公司的AD8452是用于电池测试和形成系统的精密模拟前端,在单片内组成了模拟前端控制器和开关电源(SMPS)以及PWM,其精...


IDT P9242-R3+P9221-R3 15W双向数据通信无线充电解决方案

IDT公司的P9242-R3是高度集成15W磁感应无线功率发送器,具有双向数据通信,包括了32位ARM Cortex-M0处理器,外部物体检测(F...


博聚网