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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