《物聯網發展趨勢展示內容》研究報告（六）物聯網空氣監測應用架構

第一節 介紹

氣候變遷成為近年來的環境議題。在城市地區，車輛為主要污然的來源。車輛數目急劇增加也導致各種污染的排放負荷量明顯的增加。空氣污染來自轎車、巴士及卡車，尤其地面臭氧和微粒物會加重呼吸性疾病與引發哮喘發作。為了控制空氣污染，空氣污染量必須被監測，並且因車輛而造成的污染應該被鑒定。環境監測、模塊和管理使我們能夠對自然環境獲得更深的了解。

物聯網(IoT)可能對於在城市監測車輛的空氣污染而變得有幫助，且在城市不同道路上污染數量的相關數據也能被收集和分析。物聯網被實行作為一個連接對象的網路，其中的每個對象都可以被使用獨特的 ID 來稱呼，並且基於標準通訊協議來通訊。以兩種技術傳統上被認為是物聯網模式的關鍵推動者：無線感測網路(WSN)和無線射頻辨識技術(RFID)。

第二節 污染監測系統

一、GPRS 感測器數組

對於空氣污染監測的在線 GPRS 感測數組已經被設計、實行和測試了。被提出的系統包括移動數據擷取單元(Mobile-DAQ)和固定式具有網路功能的污染監測伺服器(Pollution-Server)。移動式數據擷取單元整合了單片微處理器、空氣污染感測器數組、通用封包無線服務數據機(GPRS-Modem)以及全球定位系統模塊(GPS-Module)。Pollution-Server 是一個高端可網路鏈接的個人計算機應用伺服器。移動式數據擷取單元聚集了空氣污染程度(CO、NO2 和 SO2)，並且將它們與 GPS 實際位置、時間和日期裝進一個結構。這個結構隨後被上傳至GPRS-Modem，並經由公共移動式網路發送至 Pollution-Server。資料庫伺服器藉助各種客戶端，如環境保護機構、車輛登記管理機構以及旅遊和保險公司連接到Pollution-Server 作為更進一步的用途。Pollution-Server 被接到 Google Map，以顯示大都市地區實時的污染程度和位置。

圖6.1系統硬體基本建構模塊

該系統在沙迦的城市-UAE成功地測試。該系統報告以24小時/7天為基礎的實時污染程度和位置。系統整合了單片微處理器、數個空氣污染感測器(CO、NO2、SO2)、GPRS-Modem和通用定位系統(GPSs)模塊顯影。綜合的單元是移動式的物體和利用無線移動式公用網路的無線數據擷取單元。該單元可以被放置在任何移動式設備，例如公共運輸車輛。當車輛在移動中，微處理器產生一個結構，包含了從感測器數組所獲取的空氣污染程度和從所鏈接的GPS模塊報告的實體位置。污染物的結構隨後被上傳到通用封包無線射頻服數據機(GPRS-Modem)並經由公用移動式網路發送到Pollution-Server。資料庫伺服器藉助有興趣的客戶端，例如環境保護機構、車輛登記管理機構、旅遊和保險公司等連接到Pollution-Server

66儲存污染程度作為進一步的使用。Polution-Server連接到Google Map去顯示在大都市地區實時的污染程度和他們的位置，例如沙迦市城市-UAE。

二、室內空氣質量監測

室內空氣質量(IAQ)是這些日子裡一個新興的議題。受能源成本上升的驅使，建築物越蓋越多或是改造得密不透氣來減少不必要的熱損失，結果空氣質量水平在這樣的建築物下降低。在這種情況下，無線感測器網路對在建築物監測IAQ是幫助的。包含各種IAQ感測器，這個網路能夠同時測量在一個建築內各個不同位置的IAQ水平。網路在建築物內整合了加熱、通風和空調系統，以確保可接受的室內空氣質量。使用感測器網路，各種室內通空氣污染物(CO、CO2、VOCs和懸浮微粒)可以在容納污染物產生的潛在來源的空間中被測量。當測量到的污染物程度高於可接受的，網路將會提醒室內人員，建築物的氣候控制設備觸發器啟動，排出污染的空氣並且從外面帶入新鮮的空氣。這項研究最終的目標是實現感測器網路部署在各種不同的建築物。為此，付擔得起的、低成本的無線IAQ控制器可以被容易地設置，避免昂貴的需要被開發。

圖 6.2 室內空氣質量的測量

三、移動式空氣質量監測網路(MAQUMON)

網路嵌入式系統實驗室在ISIS創建了由許多裝置在車輛的感測器節點組成的移動式空氣質量監測網路(MAQUMON)測量空氣中不同的污染物。數據點利用機載GPS標記了位置和時間，該測量會被定期地上傳到伺服器並處理，然後發布到微軟SensorMap入口網站。給定一個足夠數量的節點和多樣的移動性模式，一個在大區域的空氣質量詳細圖將會以較低成本獲得。感測器平台支持自主地去收集、儲存，和離線數據檢索或是現場感測讀數的串流技術。內建無線藍牙模塊提供給桌面計算機或PDA一個無線介面。

圖6.3感測器節點結構

或者，該系統可以通過USB被存取。該有線的界面還可以提供電源板給無論是在線操作或是充電式的鋰電池。該裝置的電池壽命受限於幾個小時（在活動數據擷取節點），但在車上安裝的情況下，它可以不斷地從打火機供電。此外，一個兩軸的MEMS加速計用來檢測是否系統在運轉並且可以自動地關閉所有沒有在使用的耗電組件(GPS、藍牙、氣體感測器)。位置和時間信息由一個機載20個頻道SiRF-III型GPS模塊以1赫茲的採樣頻率提供。氣體濃度水平是由三個模擬的感測器來測量：O3、NO2與CO/VOC。這些讀數隨著溫度和相對濕度數據被儲存在一個序列快閃的設備2MB。一個2x16規格的LCD屏幕提供有關係統狀態立即的視覺反饋（連接的介面、GPS鎖定、時間、移動偵測以及感測器讀數）。英特爾8051型的微控制器控制系統的各方面從電池充電到模擬／數字轉換和USB協議。感測器的移動性使用SensorMap移動代理功能來處理。整體的空氣質量將會被顯示在一個利用圖像迭覆的等高線圖。特定的感測器和/或特定的地理位置的時間序列數據將會是可得的。

四、實時的空氣污染監測

空氣污染對大氣中造成全球暖化和酸雨成分的濃度有明顯的影響。為了避免在自然界如此不利的不平衡，空氣污染監測系統是最重要的。在這種情況下，無線感測器網路(WSN)對在實時基礎下使用無線感測器網路(WSN)，也就是實時無線空氣污染監測系統是有效的解決方法[5]。市售感應氣體濃度的離散氣體感測器，像是CO2、NO2、CO和O2被使用適當的校準技術來校準。這些預先校準的氣體感測器與無線感測器微粒整合，使用多跳的數據聚合演算法在校園和Hyderabad城市現場布署。簡易的中間件和網站介面，可以從網路上任何地方來查看從被開發的測式床而得的數字和圖表形式的現場污染數據。其他參數像是溫度和濕度也伴隨氣體濃度被感測，使得數據的分析能夠透過數據融合技術。

實驗進行使用了成熟的無線空氣污染監測系統，在不同物理條件下證明系統收集實時精細的污染數據的可靠來源。這種情況下的目標是想出符合成本效益的、可靠的、可擴展的和準確的具有無線感測器網路的實時空氣污染監測系統。市售的電化學和電阻加熱式感測器用來感應O2、CO2、CO和NO2的氣體。

（一）無線感測器網路的CO2氣體監測

CO2氣體傳統的測量方法在大多數情況下使用人工監測，其高度依賴工作人員手動地以CO2檢測儀深入環境監測和數據採集。傳統的測量缺點像陽光一樣的清楚，像是數據的收集受限不能全面地反映環境的條件、採樣間隔太久不能追蹤實時的異常狀況。此外，人工的監測受限於一些環境，像是在某些惡劣的自然環境或甚至是一些有害的地區，導致人工監測不能實施。無線感測器網路整合了三樣主要的感測器技術，嵌入式運算與無線通信。由於它的靈活性和布署方便，它可以被應用到無人的環境監測和其他特殊的區域。

無線感測器網路代表了一個明顯的進步，在這些傳統方法大範圍測量的增強。這種設計結合了原本的WSMN節點模塊的基礎與擴展CO2感測器介面。它可以在任何時間被使用在實時CO2氣體含量監測檢查數據，和藉助遠程監控功能傳送訊號到低階節點。由於它的安全性和效率，該系統可以被廣泛地使用在不同的方案。

1. 系統架構

該系統採用層級式架構，如圖6.4所示。底層含有被用於收集CO2氣體含量的網路節點。這些網路節點根據環境特質和用戶需求分布在測量的環境中，並且根據不同的地理位置形成一些子網。所有網路結點所收集的CO2氣體含量信息，並且透過射頻設備的多跳的方式發送它到上層的網關。中間層是中心伺服器，它維持數據存放到資料庫並且連接到網路。最後，在行動電話和終端PC上，用戶可以存取網路資料庫並且經由伺服器程序獲得CO2氣體含量的信息。

圖6.4系統架構

第三節 車輛的污染監測案例

空氣質量的連續監測是必要的，以確保污染程度和一些有害物質的存在。幾個平常交通流量高的地點可以被識別出來被監測。在這種系統結構下，對於每個被監測的位置，RFID讀取器被置於道路上的任一側，在它們之間有著固定的短距離。每輛通過道路的車都配備著被動式RFID標籤，由氣體感測器組成的感應節點被放置在盪路旁邊，這些節點持續收集感應到的資料並且將其無線地發送至伺服器。當感測器節點感應到污染急劇上升，便開始搜索有關的RFID標籤，換言之，用貼在上面的RFID標籤來辨識車輛所造成的污染。RFID讀取器藉助它檢測一輛車通過，如圖6.5

圖6.5無線射頻識別(RFID)技術如何作業

RFID讀取器辨識對應的卷標號碼並經由GPRS數據機發送到伺服器，當污染程度增加時這個結構也會產生警報。管理機構可能會採取適當措施相應。所有收集的數據可被相關的機構監測和分析，如圖6.6所示

圖6.6系統架構

該系統相較於其他基於非RFID的車輛檢測系統，在成本和有效性方面具有一個較重要的意義。圖像處理的解決方法、GPS和衛星解決方法需要大量昂貴且有力的設備，一旦污染的程度超過可允許的程度，駕駛者可能被建議去避免到該特定區域，它可以在一定的時間減少污染程度。

第四節 應用技術

一、Arduino

Arduino是個開放性硬體平台，它能夠與多樣感測器和通訊技術一起作業。它是一項彈性的微處理器和開發環境，它不僅用來控制設備還可以用於從各種感測器讀取數據。它的可擴展性和簡單性性吸引用戶和開發者。因此，各種硬體的擴展和軟體庫被開發，它可以藉助網路使得有線和無線通信。為了在物聯網的世界實現系統，Arduino是一個在物聯網世界實行系統的完美開放資源硬體平台。

二、無線射頻辨識(RFID)技術

無線射頻辨識(RFID)[8]對於電子識別、定位、和追蹤產品、動物和車輛是一項非常有用的技術。只是最近，低成本和增加功能才使RFID技術成為商業上可行的技術。RFID技術在這個案例是去檢測車輛造成的空氣污染。通訊發生於讀取器和轉發器（硅晶元連接到天線）之間，經常稱之為標籤。標籤可以是主動的（由電池供電）或是被動的（由讀取器領域供電），並且允許各種形式，包括卷標、智能卡、卷標貼、手錶、甚至是嵌入式行動電話。用於通訊的頻率取決於應用。

三、無線感測器網路

氣體感測器技術仍然處於發展階段，而且尚未達到他們在功能和使用上全部的潛力。有一些技術是非常準確的，但對大範圍部署非常昂貴。另一方面，透過感測器網路的使用，低成本技術能被使用，而且錯誤的問題可能以藉助多重性的數據潛在地被減少。為了更準確的分析，大量從個別感測器搜集的輸出可以被比較。因此，無線感測器網路提供很有用的新方法來監測空氣質量。

?

關於我們：網站內容更精彩！

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！