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医学工程与物理

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文章信息

文章历史：

2011年1月31日收到

于2011年10月4日收到修订后的表格

2011年10月24日接受

2011年IPEM，由Elsevier Ltd.出版，保留所有出版权利。

用于室内空气质量监测的无线传感器网络

Tsang-Chu Yu, Chung-Chih Lin, Chun-Chang Chen, Wei-Lun Lee, Ren-Guey Lee,

Chao-Heng Tseng, Shi-Ping Liu

1，老龄化研究中心、台湾长庚大学健康计算机科学与信息工程系，台湾。

2，台湾台北国立台北科技大学计算机与通信工程系电子工程与研究所，台湾。

3，国立台北科技大学环境工程与管理研究所，台湾台北，台湾。

4，台湾台北市辅仁大学公共卫生系，台湾。

摘要：本研究的目的是建立一个基于无线传感器的室内空气质量监测系统网络（WSN）技术上开发的。该系统的主要功能包括：（1）远程参数调整和传感器的固件更新机制，用来增强系统的灵活性和便利性；（2）传感器节点是参照IEEE 1451.4标准设计的。这样，传感器节点就可以自动调整和即插即用；（3）校准方法，加强测量值的敏感性和准确性。实验结果表明，本研究传输速度比Trickle提高了30％，传输量减少到原始数据的42％，在5times;5网络中，更新任务拓扑结构可以执行1.79次，功耗降低到30％。当基线移动时，我们可以使用固件更新机制来调整参考值。这种方式可以将误差从15％减少到7％。

关键词：空气质量，无线传感器网络，固件更新机制，IEEE 1451.4，即插即用。

1.简介

对日常生活而言，改善室内空气质量非常重要，居民一天超过90％以上的时间呆在室内 [1]。由室内空气质量差引起的健康问题和疾病可以对一个国家的生产力甚至竞争力产生负面影响。例如，较高二氧化碳浓度会使呼吸频率升高，心率加快，头痛和血管收缩等[2]。当空气中含有高浓度二氧化碳浓度时，会影响正常呼吸和减少供给心脏系统的氧气量，严重时将会导致窒息。当二氧化碳浓度达到7-10％，一个人会在几分钟内失去意识，甚至可能有死亡的风险。虽然低浓度的二氧化碳对人类无害，但低浓度的二氧化碳仍然可能导致头晕和眩晕困倦，从而使工作状态不佳。Fisk et al.对每一个国家的空气质量进行了评估，发现呼吸道感染和与其相关的生产力损失成本每年高达60-140亿美元。病态建筑综合症造成的损失估计约为15-38亿美元[3]。

应用WSN建立的基本考虑因素理想的室内空气质量监测系统如下：（1）空气传感设备即插即用：为了提高系统与其他设备的通讯能力，传感器的兼容性是基于IEEE1451.4标准[4]设计的。用户可以按照自己的需求更换不同类型的传感器; （2）实时远程硬件更新：必须针对某些功能专门更新每个节点。当监控区域污染严重时，只有提高监控频率才能提供改善空气质量的有效管理。如果监控区域污染较少，监测频率可以降低，以求降低功耗。信息传感器通过via Negotiation（SPIN）[5]和Trickle [6]两种协议实现通讯。 SPIN是一种以数据为中心的路由数据传输方法。在固件期间更新时，父节点广播需要的信息被发送。Trickle基于SPIN通讯协议进行工作。该算法适用于大规模固件更新，但无法针对某个节点特定更新。本研究提出了一种动力机制更新节点固件，从而使节点适应不同的节点环境; （3）动态校正机制：当一个传感器已经使用了很长一段时间，它的基线会漂移并引起错误。采用动态校正机构，以提高测量的数据的准确性和系统的可靠性。

2.方法

该系统由两部分组成（如图1所示）:

图1 系统构架

( 1）监测平台：监控平台包括传感器节点和网关。它用于收集和传送相关环境数据，如温度，湿度和二氧化碳浓度;

（2）应用服务器：应用程序服务器用于评估质量监控站点，管理访问权限，最终将用户的分析数据可视化。

2.1无线传感器节点和数据网关

传感器节点的功能模块如图1所示。我们设计了基于IEEE 1451.4为标准的无线即插即用传感器。制造商ID为16382，表示传感器节点自定义数据格式。本设计添加了5个参数，包括传感器类型，范围负载，参数，基点和加热期间扩大原始格式参数。传感器节点允许监控温度，二氧化碳和湿度​​水平。它安装在高度约200cm的位置。这是为了避免人的呼吸干扰。相邻节点对之间的距离差别也很大。最短的距离是5米，最长的是10米。我们使用轮询机制（如图2所示）来获取数据，默认时间间隔为10秒。查询指令将按顺序发送到每个节点。命令包的长度为23个字节。该在数据包中使用额外的接收信号强度指示字段，用来显示目标的无线信号状态。

图2 轮询机制

表1 命令/数据包格式

2.2固件更新机制

由于固件经常更新，导致监测要求或传感器节点其中一个发生改变。这个更新机制需要进行动态更新，以改善传感器节点的灵活性。当传感器功能升级时，省电也是一个很重要的问题。它可以延长WSN传感应用中的总监控周期。在本研究中，我们提出了一种符合我们的要求的功率感知路由算法（PARM）。 PARM涉及四个步骤。首先，如果源节点发现了汇聚节点需要固件更新，便将需要更新的节点在源节点广播中进行标记。然后进行第二步，确定最短传输路径。当一个节点收到一个兴趣消息（interest message），节点须提供四个参数，然后收集在路由表中。它们分别是是跳数，链接质量指标（LQI）[7]，功率容量和邻居ID（Neighbor ID）。父节点（parent node）将根据此信息进行选择。在这项研究中我们合并最小总路由传输功率（MTPR）[8]和最小-最大路由电池成本（MMBCR）[9]。如果有多个功率容量大于lambda;，MTPR将选择具有最高LQI的路由节点作为父节点。除此以外，MMBCR算法用于选择最高功率容量的路由节点作为父节点。详细的PARM算法如图3所示。lambda;为常数，是较低的功率阈值（power threshold），表示剩余电量百分比。

图3 PARM算法

当计算传输路径时，第三步是代码传输。为了减少传输的数据量，将更新的程序分为系统核心和应用程序代码。系统核心侧重于包括IO控制，定时器，无线传输和更新机制的基本处理功能。应用程序的设计运用于特定的要求。当用户更改其要求时，系统可以修改和重新编译用于生成新代码映像的应用程序代码。对比使用新代码图像的基本代码图像，本设计可以识别两个程序之间的区别并记录区块信息（图4所示）。然后，简化程序基于ADV-REQ-DATA二次方里的SPIN算法将数据传送到相邻节点。代码传输后完成后，这个机制的第四步就是重启节点。

图4 找到代码图像的差异

2.3校准方法

为确保CO2浓度测量的准确性，在部署传感器之前需要进行特征提取，以减少误差。但是，由于传感器参考值漂移，在部署传感器之后需要定期校准，以确保测量值在合理的公差范围之内。在此提出的方法有3个步骤。第一，首先要收集测量值数据，二氧化碳浓度控制在传感器的有效测量范围，从350 ppm至3000 ppm。第二，利用对数拟合法得到系统两个参数alpha;和beta;。基点值是公式1中当浓度为350ppm时的输出结果。第三，计算通过指数拟合方程计算CO2浓度（如公式2所示）），其中gamma;、sigma;和是常数。本设计通过三次计算得到的平均值gamma;和sigma;。每次确定gamma;和sigma;时，通过使六个平均电压从90秒开始到180秒停止，将CO2气体进入混合箱，然后进行指数回归。CO2的浓度计算方法是利用公式2，将传感器测量的CO2浓度值替换成相应的浓度值。

基点 （1）

其中x是CO2浓度（ppm）; alpha;和beta;是常数（在本项目中，alpha;= -23.68，beta;= 466.13）。

浓度 （2）

其中，浓度是CO2的浓度（ppm）; EMF是从传感器检测到的值（mV）; gamma;、sigma;和e是常数（在此研究gamma;= 354.62 , sigma;= 1 / 0.0412）。

2.4、应用服务器

本设计通过不断分析中国台湾多个地区的室内空气质量并将结果上传到开发的网站。该网站用一张显示空气质量的地图说明了患呼吸系统疾病的风险，比如哮喘。对于每个位置，空气质量用三个图标进行描绘：（1）红色气球代表空气质量差，其中平均每小时二氧化碳浓度高于1000ppm。环境管理工作人员将会被系统提醒采取措施来改善室内空气质量。（2）黄色气球代表正常的空气质量，其中，平均每小时二氧化碳浓度在600 ppm和 1000 ppm之间。然后，警告将以警报的形式发送。（3）绿色气球代表良好的空气质量，二氧化碳每小时平均值低于600 ppm。

3.实验

3.1.固件更新机制实验

我们将新算法与Trickle算法的四个指标进行了比较：传播时间（dissemination time）、能耗（energy consumption）、数量数据包（number of packets）和网络寿命（network lifetime result）。网络拓扑设置为3times;3，4times;4，5 times;5，6 times;6和7times;7。左上角节点设置为来源节点，而右下节点是汇聚节点。水平和垂直距离从节点到节点是7米。节点传输半径为10米。对角线距离也是有效的传输距离。一个数据包的大小是1104字节。本设计对每个实验进行十次测量并计算其平均值。整个实验数据如图5所示。（1）在传播时间实验中，将四页数据从源节点传输到接收器。具有不同节点数的传播时间如图5（a）所示。 3times;3中的传播时间为73秒，7times;7时时间增加到217秒。 当节点从3times;3增加到7times;7时，传输时间从40s增加到156s。（2）能量消耗实验是所有消耗的能量之和，测试结果如图5（b）所示。Trickle中3times;3的能源消耗为1189 mJ，7times;7节点能源消耗为4244 mJ。 PARM中的能耗为791 mJ和2836 mJ。 （3）测试数量发送的数据包，我们使用了5times;5拓扑网络，并比较了多种页面大小的算法性能（4,6,8,10，和12页）。当4页数据完全时，通过Trickle算法，有19,734个数据包从源节点传输到汇聚节点（如图5（c）所示）。当传输12页时，需要59,468个数据包页面。使用PARM时，数据包的数量会增加（4）第四个实验结果如图5（d）所示，结果表明我们的方法不仅节省了能量，而且节省了8497到23,675包。同时也延长了整体网络的生命周期。我们定义网络生命周期为“从网络启动到一个节点崩溃的时间差” [10]，并将每个节点的功率设置为80,000单位，并将页面数量固定为12页。Trickle能够执行14次更新工作。对于PARM，它可以执行25次更新工作。实验结果证明了我们的方法优于Trickle，且具有更大的传动负荷。

图5 固件更新机制实验结果： (a) dissemination time, (b) energy consumption, (c) number of packets, (d) network lifetime result

3.2．校准方法实验环境

实验环境温度控制在30plusmn;0.5°C，湿度控制在36%到46%之间。该使用不同的CO2浓度检查传感器的精度。表2显示了原始的CO2监测数据。没有调用校准功能，误差百分比在11％到15％之间。 我们可以发现误差百分比大于政府规定的10％天然气标准。 准确性增强，错误百分比低于6.17％（如图所示）表3）。计算误差百分比的公式如（3）所示。

（3）

4结论

在本项研究中，我们使用无线传感器网络开发了一个室内空气质量无线监测系统。实验结果表明：（1）PARM显著缩短了在3times;3到7times;7网络拓扑中的传输时间。最低传输时间减少到原始传输时间的54.63％（3times;3网络拓扑中为40.12 / 73.43），节省的平均时间为原来的 30.7％。 （2）PARM机制的最优节能量为37.47（5times;5网络拓扑结构中为3181.11 / 5087.37），平均节能30.068％。（3）对于不同的数据输入大小，从4页到12页不等，PARM还能够有效地减少整个分组传输。最佳数据为传输减少为45％（5 * 5网络拓扑中的12754/28015,6页），平均减少为原始数据42.08％。 4）5 * 5网络拓扑中，12页更新任务可以比Trickle执行快25/14 = 1.79倍。（5）每个传感器的特性曲线不同。当基线漂移时，我们可以使用固件更新机制来调整参考值。这种方式可以将错误百分比从15％降低到7％。如果被监测的区域受到严重污染，我们还可以改变监测频率，以帮助管理层改善空气质量。理想的医疗空气监测系统不仅可以感知不同的数据，还可以预测趋势，提醒用户并采取措施保持良好的空气质量。这些问题将在未来的工作中进行调查。

感谢

这项工作部分由台湾国家科学委员会，ROC授予NSC 98-2218-E-027-018-和99-2218-E-182-001。

利益冲突声明

无。

参考文献

[1] Spengler JD, Sexton K. Indoor air pollution: a public health perspective. Science

1983

资料编号：[4057]