Design and Implement a Cost Effective and Ubiquitous Indoor Air Quality Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Network

Ching-Biau Tzeng

Department of Electronic Engineering

Kun-Shan University

Tainan, Taiwan

cbtzeng@mail.ksu.edu.tw

Abstract

A cost effective and user-friendly indoor air quality (IAQ) monitoring system based on ZigBee wireless sensor network implemented with the TI CC2430 ZigBee chip is described. In this proposed system, a temperature and relative humidity sensing module and a carbon dioxide sensing module were integrated in each ensor node which was placed in different indoor environment to monitor the IAQ parameters or indoor environment ubiquitously.

Keywords: ZigBee, Wireless sensor network, Indoor air quality,

IAQ

1. INTRODUCTION

For most people, they probably spend 80% ~ 90% of their time in indoor environment, so, the health of the human body will be directly or indirectly affected by good or bad indoor air quality (IAQ). Good indoor air quality is a vital part of human health. Poor indoor air quality not only can contribute to the development of chronic respiratory disease such as asthma, heart disease, and lung cancer but also affect the productivity and morale of the occupants.

In the last decade, a growing body of scientific evidence has indicated that the air within buildings can be more seriously polluted than the outdoor air. Other research also indicates that as people spend most of their time indoors and the concentration of contaminants may build up in an enclosed space, the risks to health may be greater due to exposure to air pollution indoors than outdoors.

The World Health Organization (WHO) had defined the “Sick Building Syndrome” is the killer of the indoor environment. Therefore, the indoor air quality monitoring system becomes more and more important for the human health.

As we know, technology can indeed play an important role in helping further public awareness and knowledge of environmental issues and should be exploited whenever possible in designs. Moreover, it is important for further research into ubiquitous technologies to support public awareness of health and environment related issues.

What we need are indoor air that is perceived as fresh, pleasant and stimulating, with no negative effects on health and a thermal environment perceived as comfortable by almost all occupants.

Health effects associated with chronic low-level exposure to common indoor air pollutants still remain unexplored. So, we propose a cost effective and user

friendly IAQ monitoring system based on wireless sensor network (WSN) to measure and visualize indoor air quality ubiquitously. We selected the ZigBee wireless sensor network to substitute the other wireless transmission, because the main features of the low speed, low power,ʳlow cost, and larger volume support network nodes to support multiple of network topology.

ASHRAE Standard 62-2001 provides the concept of acceptable IAQ that covers not only the objectivity but also subjectivity of IAQ. Previous ASHARE standard 62-1989, considered 1000 ppm as the highest acceptable concentration for indoor carbon dioxide and a minimum ventilation rate of 8l/p/s. More recent standards (ASHARE standard 62-1999, 62-2001 and 62-2004), recommend that the indoor-outdoor differential concentration should not exceed 700 ppm.

In this system, presenting with some graphs related with the trend of IAQ can persuade people to change their behaviors to improve their level of IAQ and health and to forecast the future trend of IAQ index auxiliary with 1hour, 4 hours and 8 hours averaging curve conducted with moving average method. Our data capture, present and analysis can show any significant change in the level of indoor air quality across the entire capturing period.

This proposed system was designed to provide helpful and informative information in improving domestic health and well-being. So, this proposed system can provide more opportunities to think about indoor air quality and health related issues.

1. MEASUREMENT OFAIR QUALITY

The assessment indicator about indoor air quality included the conventional IAQ parameters of temperature, humidity, and the concentration of carbon dioxide.

A. Temperature

Thermal discomfort is the most common and the most easily addressed item for indoor environment evaluated issues. The recommended condition by ASHRAE is winter temperature of between 68 and 75 degree F, and summer temperature of between 73 and 79 degree F.

B. Relative Humidity

Humidity levels of between 20% and 60% are generally considered to be desirable in indoor environments. At levels below 20% people tend to complain of dry-stuffyair, and levels greater than 60% can promote the growth of harmful microbial and mold.

Relative humidity is closely related to temperature and should also be taken into account when evaluating thermal discomfort.

C. Carbon Dioxide

Although CO2 has no acute (short-term) health effects associated with low-level exposure (lt;5000 ppm) typically found in indoor environments. The setting of CO2 levels in indoor workspaces have been subject to extended debate associated with various complaints such as stale air, stuffiness, body odor, discomfort, Sick Building Syndrome (SBS), etc. with those Groups such as ACGIH, ASHRAE, ANSI, and OSHA to set standards on CO2 levels in buildings.

Increased levels of CO2 in indoor air are related fundamentally to building occupancy and building activities. Because CO2 is a natural product of respiration, the level in indoor air is proportional to the number of occupants as well as ventilation adequacy.

The indoor concentrations of CO2 is closely related to the out

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基于ZigBee无线的经济实用的室内空气质量监测系统的设计与实现

传感器网络

Ching-Biau Tzeng

电子工程系昆山大学

台南 台湾

cbtzeng@mail.ksu.edu.tw

摘要：介绍了一种采用TI CC2430 ZigBee芯片实现的基于ZigBee无线传感器网络的经济实用的室内空气质量（IAQ）监测系统。该系统将温度和相对湿度传感模块和二氧化碳传感模块集成在每个传感器节点中，传感器节点放置在不同的室内环境中，对室内空气品质参数或室内环境进行全方位的监测。

关键词：ZigBee；无线传感器网络；室内空气质量；

室内空气品质

1. 导言

对大多数人来说，他们可能将80%~90%的时间花在室内环境中，因此，室内空气质量好坏（IAQ）会直接或间接影响人体健康。良好的室内空气质量是人类健康的重要组成部分。室内空气质量差不仅有助于慢性呼吸系统疾病如哮喘、心脏病和肺癌的发展，而且还会影响居住者的生产力和士气。

在过去的十年里，越来越多的科学证据表明建筑物内的空气可能比室外空气受到更严重的污染。其他研究也表明，由于人们大部分时间都在室内度过，污染物的浓度可能在封闭的空间内积累，因此暴露在室内空气污染中对健康的风险可能比暴露在室外更大。

世界卫生组织（世卫组织）曾定义“病态建筑综合症”是室内环境的杀手。因此，室内空气质量监测系统对人体健康的作用越来越重要。

正如我们所知，技术确实可以在帮助公众进一步认识和了解环境问题方面发挥重要作用，并且应尽可能在设计中加以利用。此外，进一步研究无处不在的技术对于支持公众对健康和环境相关问题的认识也很重要。 我们需要的是室内空气，被认为是新鲜的，愉快的和刺激的，没有对健康和热环境的负面影响，被几乎所有的居住者认为是舒适的。

与长期低水平暴露于普通室内空气污染物有关的健康影响仍然未被研究。因此，我们建议一个具有成本效益和用户

基于无线传感器网络（WSN）的友好型室内空气质量监测系统，实现了室内空气质量的普遍测量和可视化。我们选择了ZigBee无线传感器网络来替代其他无线传输，因为其主要特点是低速、低功耗、低成本、大容量支持网络节点支持多种网络拓扑结构。

ASHRAE标准62-2001提出了可接受IAQ的概念，它不仅涵盖了IAQ的客观性，还涵盖了IAQ的主观性。以前的AShare标准62-1989认为1000 ppm是室内二氧化碳的最高可接受浓度，最低通风速率为8L/p/s。更新的标准（AShare标准62-1999、62-2001和62-2004）建议室内室外差异浓度不应超过700 ppm。

在该系统中，给出一些与IAQ趋势相关的图表，可以说服人们改变他们的行为，提高他们的IAQ水平和健康水平，并用移动平均法进行1小时、4小时和8小时的平均曲线来预测IAQ指数的未来趋势。我们的数据采集、呈现和分析可以显示整个采集期间室内空气质量水平的任何显著变化。

该系统旨在为改善家庭健康和福祉提供有益的信息。因此，该系统可以提供更多的机会来思考室内空气质量和健康相关问题。

1. 空气质量测量

室内空气质量评价指标包括常规的室内空气质量温度、湿度、二氧化碳浓度等参数。

1. 温度

热不适是室内环境评价中最常见、最容易解决的问题。ASHRAE推荐的条件是冬季温度在68至75华氏度之间，夏季温度在73至79华氏度之间。

1. 相对湿度

在室内环境中，通常认为湿度在20%到60%之间是可取的。在低于20%的水平，人们往往抱怨干燥的填充空气，超过60%的水平可以促进有害微生物和霉菌的生长。 相对湿度与温度密切相关，在评估热不适时也应考虑相对湿度。

1. 二氧化碳

尽管通常在室内环境中发现，二氧化碳对健康没有急性（短期）影响，但与低水平暴露（lt;5000 ppm）有关。室内工作场所的二氧化碳水平设置受到了广泛的讨论，涉及各种投诉，如空气不新鲜、闷热、体味、不适、病态建筑综合征（SBS）等，这些团体包括ACGIH、ASHRAE、ANSI和OSHA，以制定建筑物中二氧化碳水平的标准。 室内空气中二氧化碳含量的增加从根本上与建筑占用率和建筑活动有关。由于二氧化碳是呼吸的自然产物，室内空气的水平与居住者的数量以及通风的充分性成正比。

室内二氧化碳浓度与供给房间的室外空气（或新鲜空气）密切相关，可作为房间通风率的良好指标。如我们所知，供给房间的室外空气越多，二氧化碳浓度就越低。提供足够的通风对于稀释室内污染物的空气浓度也很重要，这些污染物可能因空间内的材料或居住者的活动而积聚。

通过监测被占用房间或区域内的二氧化碳水平，并假设已达到平衡，就可以估计供应给该区域的室外空气量。

3.系统设计与实现

A.材料和方法

这项初步研究的主要目的是描述太阳能建筑（示范绿色建筑）的基本小气候模式。实验设置如下：六个传感器节点，一个臭氧浓度分析仪（紫外吸收光度计，空气中的表面臭氧）。

通过在个人计算机上运行NI LabVIEW软件设计的数据记录器程序进行数据采集。采样时间为1分钟（瞬时数据）。计算了10分钟的平均值和标准差。

B.系统架构

该IAQ测量系统的结构如图1所示，主要由一个协调器、一些路由器和一些终端设备组成。协调器用于处理网络ID的分布，并接收从路由器或终端设备传输的数据。路由器的功能是允许其他设备加入网络，并提供多跳路由以增加 传输距离。终端设备也称为传感器节点，用于检测被测环境中的IAQ指数。室内空气品质指数的测量项目包括温度、湿度和二氧化碳浓度。

利用SENSIRION公司生产的SHT10装置对被测环境中的温度和湿度进行了检测。它可以通过标准传输格式的I2c接口与CC2430芯片通信。当CC2430芯片发出温度和湿度指令时，SHT10设备返回被测环境的温度和湿度的测量值。

采用应用传感器公司生产的DS-IAQ2000装置对测量环境中的二氧化碳浓度进行了检测。输出电压范围为0~5伏，与检测到的二氧化碳浓度范围为450~2000 ppm有关。采用CC2430内置的A/D接口，将输出电压以二进制格式转换成数字值。

这些测量值包括温度、湿度和二氧化碳浓度，通过Zigbee无线传感器网络，用CC2430芯片从终端设备传输到协调器，然后存储在个人电脑中。

1. 数据分析与讨论

通过一系列测试，验证了该系统的功能和性能。

本次拟采用的IAQ测量系统和KD工程公司生产的IAQ仪表风箱，在2011年1月8日至2011年1月11日的4天时间内，均被放置在同一空间内测量IAQ指数。

该方法的第一个试验方案分别于2011年1月8日对空气箱x仪器和拟议测量系统的末端装置进行了15秒一次的取样和1秒一次的取样。端部装置1和端部装置2均采用实时采样，未通过平均过程。2011年1月8日温湿度测试结果分别如图2和图3所示。

为了比较末端装置和风箱的测量结果，表明由于测量地点相同，局部趋势变化也相同，可以确保用该末端装置测量温度和湿度的准确性。

2011年1月8日二氧化碳浓度检测结果如图4所示。从图4可以看出，终端设备1和终端设备2的测量数据趋势非常相似，但与空气箱仪表的测量结果相比差异很大。从空气箱仪表测得的二氧化碳浓度数据的趋势似乎比从末端装置1或末端装置2测得的数据非常稳定。有人怀疑会有不明气体存在。这是真的，DSIAQ2000装置不仅可以检测二氧化碳，还可以完全检测和检测其他有害气体，例如：一氧化碳、甲烷、液化石油气、醇类、酮和胺。空气。

由于2011年1月9日、10日、11日末端装置和空气箱的温度和湿度测量结果与

2011年1月8日，因此，后续讨论和分析将集中在测量的二氧化碳数据上。

该方法的第二个试验方案分别于2011年1月8日对空气箱x仪器和拟议测量系统的末端装置进行了15秒一次的取样。末端装置1采用实时采样，未通过平均过程。末端装置2采用实时采样，并通过了平均过程。2011年1月8日二氧化碳检测结果如图5所示。

从图5中的红色区域部分可以了解到，检测到的二氧化碳浓度过高，并且通过空气箱x测量的二氧化碳浓度将接近于2000 ppm。同时，端部装置1和端部装置2的测量数据也逐渐升高，但由于平均过程的运行，端部装置2的数据总是低于端部装置1的数据。

采用2011年1月9日的试验方案，对空气箱x仪表每15秒取样一次，对拟用测量系统的末端装置每5秒取样一次，末端装置1也采用平均过程。2011年1月9日二氧化碳检测结果如图6所示。

建议的测量系统。末端装置1采用A/D采样减速，平均过程1，末端装置2采用A/D采样减速，平均过程2，末端装置3采用A/D采样减速，平均过程3，末端装置4采用A/D采样减速，不通过平均过程。2011年1月10日二氧化碳检测结果如图7所示。

4端装置的试验结果最初非常稳定，这次测量空间内没有物体。经过一段时间后，人群涌入测量空间，二氧化碳浓度将迅速上升，如图7所示的绿色块。

采用2011年1月11日的试验方案，空气箱x仪表每15秒取样一次，建议测量系统的末端装置每5秒取样一次。末端装置1采用A/D采样减速，平均过程1，末端装置2采用A/D采样减速，平均过程2，末端装置3采用A/D采样减速，平均过程3，末端装置4采用A/D采样减速，不通过平均过程。2011年1月10日的二氧化碳检测结果如图8所示，可以发现同一时间点的二氧化碳浓度明显上升。其中，末端装置1采用的平均过程的结果与风箱X最为相似，末端装置3给出的结果最不令人满意，因为采用的平均过程丢失了部分测量数据。空气。

5、结论

空气箱IAQ仪似乎只是对二氧化碳浓度的连续检测和检测，对不明气体没有明显的检测。但是，我们提出的IAQ测量系统在一定程度上可以检测到一些不明有害气体，因此它不仅可以用于测量二氧化碳浓度，还可以检测到一些有害气体。

我们已经构建了一个低成本、低功耗、无所不在的IAQ测量系统，并计划在未来设计和实施一个完整的IAQ测量和评估系统。

对于未来的发展，应将为改善空气质量和健康而采取的行动提供建议纳入未来的设计中。此外，提供将原因与实际人类生理效应、医疗健康数据以及长期症状和影响联系起来的额外知识，将使更多的人面对公认的以数据为中心的数据视图。

REFERENCES

[1] Sunyoung Kim and Eric Paulos, “inAir: Measuring and Visualizing Indoor Air Quality”, UbiComp 2009, Sep 30 ~ Oct 3, 2009, Orlando, Florida, USA.

[2] Sunyoung Kim and Eric Paulos, “inAir: Sharing Indoor Air Quality Measurements and Visualizations”, CHI 2010, Apr 10 ~ 15, 2010, Atlanta, Georgia, USA.

[3] ASHRAE, ASHRAE Standard 62-2001, Ventilation for acceptable indoor air quality. Atlanda : American Society of Heating, Refrigerating and Air-condition Engineers, Inc.

[4] Sunyoung Kim and Eric Paulos, “inAir: Measuring and Visualizing Indoor Air Quality”, UbiComp 2009, Sep 30 ~ Oct 3, 2009, Orlando, Florida, USA.

[5] Sunyoung Kim and Eric Paulos, “inAir: Sharing Indoor Air Quality Measurements and Visualizations”,

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