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研究生:董威呈
研究生(外文):Tung, Wei-Cheng
論文名稱:室內VOC氣體感測網路系統實作
論文名稱(外文):Implementation of Indoor VOC Air Pollution Monitoring System with Sensor Network
指導教授:彭亦暄
指導教授(外文):Peng, I-Hsuan
學位類別:碩士
校院名稱:明新科技大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:77
中文關鍵詞:揮發性有機化合物氣體室內空氣品質感測網路ZigBeeArduino
外文關鍵詞:TVOCsIAQWSNZigBeeArduino
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  全球暖化議題逐漸升溫,人們對氣體汙染意識不斷增加,而多數監測站設置於戶外,僅對大區域進行汙染源及暖化氣體進行監測,卻忽略室內空氣品質(IAQ, Indoor Air Quality)之重要性,且室內空氣汙染造成傷害及死亡較室外嚴重,卻鮮少具可行性之感測裝置進行長時間監測。
  本研究針對室內環境之總揮發有機化合物(TVOCs, Total Volatile Organic Compounds)氣體進行長時間監測,並考慮成本可行性、開發複雜度以及操作方便性之室內氣體無線感測網路(WSN, Wireless Sensor Networks)建置。節點使用開放架構之Arduino AVR (Microcontroller)為主要運算單元,配合XBee (802.15.4/ZigBee)模組進行資料傳遞,感測元件使用低成本之金屬氧化物半導體氣體感測元件TGS-2602,配合ADC進行取樣,路由協定使用Flooding方式彙整至伺服器儲存,以方便使用者進行讀取與控制。
  本系統採用的感測器檢測範圍在中華民國94年12月30日行政院環境保護署環署空字第0940106804號室內空氣品質所規定之TVOC 3ppm內,成本約在NTD. 2000左右、開發複雜度低、高方便性及高操作性,並實際用於測量室內油漆施工所產生TVOCs之監測,整體運作十分順暢,且明顯得知施工時室內空氣品質之變化。
Global warming has gradually become a hot issue, and people have been paying more and more attention to the air pollution. However, most of monitoring stations of air pollution are presently set up in outdoor and monitor sources of air pollution and global warming gases in big region, neglecting the importance of IAQ, Indoor Air Quality. In addition, indoor air pollution leads to much more damage and deaths than that in outdoor, but there is rare sensor device with feasibility to monitor indoor air pollution for a long time.
Thus, this research aims at TVOCs, Total Volatile Organic Compounds, in indoor environment with long term monitor and sets up indoor gases WSN (Wireless Sensor Network) with the consideration of the cost of feasibility, the development of complexity, and the convenience of operation. In the open architecture, Arduino AVR (Microcontroller) is the main arithmetic unit in the sensor node, coordinating with XBee (802.15.4/ZigBee) module to conduct data transmission. Sensor employs Metal Oxide Combustion Sensor TGS-2602 with low cost, and cooperates with ADC to do sampling. The sampling information would be aggregated and stored in server by means of Flooding routing protocol. So, user can read and control easily and conveniently.
Indoor Air Quality is required by the legal document of Dec 30, 2005 ROC and Environmental Protection Administration 0940106804 to be within 3ppm of TVOC. And this sensor adopted by the proposed system can sense TVOC in range of 3ppm. The system costs approximately about NTD. 2000, and is with low-complexity developed, high convenience and control. In the system test, the system is put in the indoor painting environment, and it can sense TVOCs and show the variation of indoor air quality.
摘 要 i
Abstract ii
誌 謝 iii
目 錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 前言 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 3
第二章 文獻回顧 5
2.1 無線感測網路 5
2.2 ZigBee 6
2.3 揮發性有機化合物氣體感測 8
2.3.1光游離偵測器(PID) 8
2.3.2 火焰離子偵測器(FID) 8
2.3.3 半導體式偵測器 9
2.3.3 感測元件挑選與成本比較 11
2.4 WSN Flooding路由協定 12
第三章 系統架構 17
3.1 Arduino MEGA ADK (Microcontroller) 20
3.1.1 軟體開發平台 21
3.1.2 AVR需求選擇 22
3.1.3 Arduino通訊介面 23
3.1.4 Arduino供電選擇 24
3.2 XBee (RF Model) 28
3.2.1 XBee通訊介面 30
3.2.2 AT Command模式 32
3.2.3 API訊框 33
3.2.4 資料訊框 37
3.3 TGS-2602 (TVOCs Sensor) 41
3.3.1 感測特性 41
3.3.2 基本電路及感測門檻值計算 44
3.3.3 提升電路安全與實用性 46
3.4 程式碼 49
3.4.1 AVR程式 49
3.4.2 DFM及DCM程式 50
3.4.3 伺服端程式 54
3.4.4 UI程式 55
第四章 測試數據 58
4.1 測試環境 58
4.2 反應時間測試 58
4.3 靈敏度測試 59
4.4 溫濕度測試 60
4.5 油漆測試 62
第五章 結論及未來研究方向 65
5.1 結論 65
5.2 未來研究 68
文獻參考 69
附件 72
A. 常見物質氣爆極限,濃度單位為空氣體積百分比[29] 72
B. Market survey of monitors and sensors for volatile organic compounds[17] 76


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