基于物联网的低成本便携式传感器节点用于火灾和空气污染的检测与报警
目录
摘要
引言
材料和方法
传感器节点 IoT 微控制器
颗粒物传感器
环境和气体传感器
MQTT代理
Node-Red监控平台
系统结构
数据存储
工作描述
实验结果
讨论
结论
致谢
参考文献
这篇论文的标题是《Low-cost IoT-based Portable Sensor Node for Fire and Air Pollution Detection and Alarming》，作者为Mohammed Faeik Ruzaij Al-Okby、Thomas Roddelkopf和Kerstin Thurow。论文主要介绍了一种基于物联网(IoT)的低成本便携式传感器节点，用于检测火灾和空气污染，并发出警报。以下是论文的主要内容概述：
摘要
- 强调了早期火灾检测在避免生命和财产损失中的重要性。
- 提出了一种基于物联网的低成本传感器节点，用于检测烟雾、初期火灾以及实验室环境中的灰尘、固体细颗粒和有毒有害气体。
- 节点通过处理来自不同传感器的数据，实现对可能的危险/有毒污染、火灾或火灾发生前因素的早期预警。
- 使用了温度和湿度传感器、二氧化碳气体水平、挥发性有机化合物(VOC)和氮氧化物的测量数据，以及空气中PM1、PM2.5和PM10颗粒物浓度的测量，通过特定算法确定火灾警报阈值。
- 所有传感器数据可以通过云平台、基于物联网的微控制器、Node-Red平台和MQTT代理服务器无线查看和监控。
- 系统经过多次测试，证明其在实验室、家庭和易受火灾和化学污染风险的地方的有效性和可靠性。
引言
- 讨论了颗粒物(PM)作为空气污染物对生命各个方面的威胁。
- 火灾是常见的灾难之一，尤其在使用易燃溶剂、试剂和气体的工业或实验室环境中更容易发生。
- 提出了开发高效火灾检测和预警系统的迫切需求。
材料和方法
- 介绍了便携式传感器节点的基本单位，包括传感器、物联网微控制器、MQTT代理、Node-Red监控平台等组件。
- 详细讨论了系统架构，包括数据收集、处理和传输的过程。
传感器节点 IoT 微控制器
- 微控制器是传感器节点的核心，负责处理来自传感器的数据流，并控制数据流向物联网云平台。
- 选用了 WeMos D1 mini IoT 控制器，因为它支持多种与传感器通信的协议，包括 UART、I2C 和 USB。
- 控制器内含 ESP 8266 无线通信单元，使用 Wi-Fi 技术将数据从传感器节点传输到监控和控制站。
颗粒物传感器
- 使用了 Plantower PMSA00I PM 传感器来测量 PM1、PM2.5 和 PM10 的浓度。
环境和气体传感器
- 选用了三种 Sensirion AG 公司的传感器：SHT40、SGP41 和 SGP30，以获取环境数据和气体及挥发性有机化合物(VOC)的浓度。
- SHT40 传感器用于记录温度和相对湿度，这两个因素在火灾发生时会明显变化。
- SGP41 传感器提供 NOx 指数，指示空气中 NOx 污染的水平，NOx 气体主要由火焰中大气氧气和氮气直接结合产生，可作为火灾事故的指标。
- SGP30 传感器用于测量空气中 VOC 和 CO2 的浓度，这些参数在检测火灾事故中很有用。
MQTT代理
- MQTT 代理是物联网系统中的一种通信协议，负责在客户端（传感器节点）和订阅者（监控和控制服务器）之间组织消息的接收和分发。
- MQTT 代理支持按需数据传输，允许在发送下一个数据包时无需重新连接，提供高效的资源管理，并与许多不同的设备和系统兼容。
Node-Red监控平台
- Node-Red 是一个图形化编程接口，允许用户创建用于数据显示和控制的终端。
- 该平台提供与物联网系统和一些服务及硬件组件（包括 MQTT、HTTP 和 WebSocket）通信的重要功能。
- 通过使用可定制的流程，Node-Red 允许用户快速创建软件功能，非常适合适应不同类型的物联网系统及其配件。
系统结构
- 论文中通过图 1 展示了系统的结构，包括物联网云、数据库、MQTT 代理、Node-Red 监控 Web 服务器、处理层和感知层的组件。
数据存储
- 在测试期间，记录的传感器节点数据的副本存储在文本文件中。
- 所有记录的数据将存储在研究所的云中以及 Microsoft SQL Server 数据库中。
工作描述
- 描述了火灾发生时环境因素和指标的变化，以及如何使用这些变化来检测可能导致火灾事件的起始。
- 介绍了Node-Red平台上编程的特殊功能，用于隔离从传感器节点接收到的数据，并根据每个特定传感器接收到的数据设置警报阈值。
实验结果
- 展示了传感器节点对火灾迹象（如烟雾和灰烬）的响应测试。
- 描述了在不同高度下对传感器节点性能的评估测试。
- 记录了PM1、PM2.5、PM10、VOC指数和TVOC浓度等重要参数的测试结果。
讨论
- 分析了测试结果，展示了系统在不同条件下的性能。
- 讨论了传感器对不同测试距离的响应，以及在封闭空间内对NOx的检测测试。
结论
- 提出了一种用于预警火灾事件和环境污染的低成本监控和警报系统。
- 系统由包含多个传感器的移动传感器节点组成，能够检测空气中的多种环境因素。
- 实际测试显示了对实验烟雾和污染源的出色响应。
- 强调了系统低成本、高效率和高可靠性，使其可以广泛使用。
致谢
- 感谢欧洲研究委员会(ERC)对自主先进材料发现(ADAM)项目的资金支持。
参考文献
- 列出了相关的参考文献，涵盖了火灾动态、火灾监测和检测、室内空气质量监测等领域的研究。
这篇论文提供了一种创新的解决方案，用于早期检测火灾和空气污染，并通过物联网技术实现远程监控和警报。
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