Real-Time Monitoring of

Indoor Air Quality with Internet of Things-Based E-Nose

Abstract: Today, air pollution is the biggest environmental health problem in the world. Air pollution leads to adverse effects on human health, climate and ecosystems. Air is contaminated by toxic gases released by industry, vehicle emissions and the increased concentration of harmful gases and particulate matter in the atmosphere. Air pollution can cause many serious health problems such as respiratory, cardiovascular and skin diseases in humans. Nowadays, where air pollution has become the largest environmental health risk, the interest in monitoring air quality is increasing. Recently, mobile technologies, especially the Internet of Things, data and machine learning technologies have a positive impact on the way we manage our health. With the production of IoT-based portable air quality measuring devices and their widespread use, people can monitor the air quality in their living areas instantly. In this study, e-nose, a real-time mobile air quality monitoring system with various air parameters such as CO₂, CO, PM10, NO₂ temperature and humidity, is proposed. The proposed e-nose is produced with an open source, low cost, easy installation and do-it-yourself approach. The air quality data measured by the GP2Y1010AU, MH-Z14, MICS-4514 and DHT22 sensor array can be monitored via the 32-bit ESP32 Wi-Fi controller and the mobile interface developed by the Blynk IoT platform, and the received data are recorded in a cloud server. Following evaluation of results obtained from the indoor measurements, it was shown that a decrease of indoor air quality was influenced by the number of people in the house and natural emissions due to activities such as sleeping, cleaning and cooking. However, it is observed that even daily manual natural ventilation has a significant improving effect on air quality.

Keywords: internet of things; e-nose; indoor air quality; smart home; ESP32

1.Introduction

In recent years, air pollution has been a major environmental problem and a global concern that has exceeded recommended national limits. Air pollution has negative effects on human health and ecosystems, as well as affecting the worlds climate . Air pollution can be classified as internal or external air pollution, depending on where the activities take place . Outdoor air pollution occurs in an open environment, covering the entire atmosphere. Fossil fuels used to meet the energy needs of factories, industries and vehicles are the main activities contributing to agricultural and mining outdoor air pollution. The external air pollutants are mainly composed of nitrogen oxides (NOx), nitrogen dioxide (NO2), sulfur dioxide (SO2), ozone (O3), carbon monoxide (CO), hydrocarbons and particulate matter (PM) of different particle sizes. Indoor air pollution, found in offices, hospitals, schools, libraries, entertainment areas, gymnasiums, public transport vehicles, etc., is classified as the pollution of the air of indoor areas . Major indoor air pollutants include NOx, SO2, O3, CO, carbon dioxide (CO2), volatile and semi-volatile organic compounds VOCs, PM, radon and microorganisms. The air quality index includes an internationally adopted parameter for assessing air quality.

Ground-level ozone reflects five pollution standards including PM, carbonic oxide, SO2 and NO2 . Indoor air quality (IAQ) is very important for many people who spend most of their lives in closed spaces, such as the elderly, disabled, infants and patients . Indoor air pollution occurs due to household activities and products used in these activities. Home cleaning products and paint materials emit toxic chemicals into the air and cause air pollution. Exposure to air pollution, especially indoor air pollution, is one of the largest environmental health risk factors and is directly related to millions of premature deaths worldwide each year . Air pollution comes second on the list of deaths caused by non-contagious health reasons.

In the United States, indoor and outdoor air quality is regulated by the Environmental Protection Agency (EPA). The EPA has shown that indoor pollutant levels may be up to 100 times higher than the level of external pollutants and poor air quality is one of the five most important environmental risks threatening public health. PM, a complex mixture of solid and liquid particles of organic and inorganic substances suspended in the air, is considered the most common pollutant. Air pollution from PM (PM2.5 and PM10) poses a significant health threat to people living in cities. The health-damaging PM, which can penetrate deep into the lungs, contributes to the risk of developing cardiovascular diseases as well as lung cancer. In addition to health problems affecting the low IAQ nervous system, its effects are associated with other long-term diseases . Simple interventions, such as natural ventilation provided by homeowners, have significant positive effects on IAQ. However, consideration of the households thermal comfort and climate conditions in natural ventilation is crucial. Furthermore, power losses due to manually regulated natural ventilation should be considered. Therefore, indoor real-time monitoring of IAQ is very important to detect unhealthy conditions.

Today, cities face interesting challenges and problems to meet socio-economic development and quality of life goals, and the concept of “smart cities' responds to these challenges. The smart city is directly related to a strategy to reduce the problems caused by rapid urbanization. The IoT is a network where physical objects are linked to each other or to larger systems. This network collects large amounts of data from different devices we us

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基于E-Nose的联网室内空气质量实时监测

摘要：如今，空气污染是世界上最大的环境健康问题。空气污染会对人类健康、气候和生态系统造成不利影响。空气被工业排放的有毒气体、车辆排放物、大气中的有害气体和浓度越来越高的颗粒物所污染。空气污染会导致许多严重的健康问题，如人类的呼吸道感染、心血管疾病和皮肤病。在空气污染已成为最大的环境健康风险的今天，人们对监测空气质量的兴趣正在增加。最近，移动技术特别是物联网大数据和机器学习技术对我们管理健康的方式产生了积极的影响。随着基于物联网的便携式空气质量测量设备的生产和广泛应用，人们可以即时监测生活区域的空气质量。在本研究中，我们提出了一个即时移动式空气质量监测系统E-Nose，该系统具有不同的空气参数，例如CO₂、CO、PM10、NO₂温度及湿度。建议的E-Nose采用开源、低成本、易于安装和自己动手的方式生产，通过32位ESP32 Wi-Fi控制器和基于Blynk的物联网平台开发的移动接口，可以对GP2Y1010AU、MH-Z14、MICS-4514和DHT2传感器阵列测得的空气质量数据进行监测，并且将接收到的数据记录在云服务器中。对室内测量结果进行评估后发现，室内空气质量受室内人数和睡眠、清洁和烹饪等活动造成的自然排放的影响。但是据观察，即使是每天的开窗自然通风也对空气质量有显著的改善作用。

关键词：物联网；E-Nose；室内空气质量；智能家居；ESP32

第1章 概述

近年来，空气污染一直是一个重大的环境问题，也是一个全球关注的问题，已经超过了各个国家建议关注的范围。空气污染对人类健康和生态系统产生了负面影响，也影响了世界气候。空气污染可分为内部和外部空气污染，这取决于活动发生的地点。室外空气污染发生在开放的环境中，覆盖了整个大气环境。用于满足工厂、工业和车辆能源需求的矿物燃料是造成农业和采矿业室外空气污染的主要来源。外部空气污染物主要由氮氧化物（NOx）、二氧化氮（NO₂）、二氧化硫（SO₂）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）、碳氢化合物和颗粒物（PM）等不同粒径的物质组成。办公室、医院、学校、图书馆、娱乐场所、体育馆、公共交通工具等场所存在的室内空气污染，属于室内空气污染。主要室内空气污染物包括NOx、SO₂、O3、CO、二氧化碳（CO₂）、挥发性和半挥发性有机化合物VOCs、PM、氡和微生物。空气质量指数采用用于评价空气质量的国际上采用的参数。

地面臭氧反映了PM、碳氧化物、SO₂和NO₂的4个污染标准。室内空气质量（IAQ）对许多人来说是非常重要的，他们大部分时间都在封闭的空间里度过，比如老人、残疾人、婴儿和病人。室内空气污染是由于家庭活动和这些活动中使用的产品造成的。家庭清洁用品和油漆材料向空气中排放有毒化学物质，造成空气污染。人体暴露于空气污染特别是室内空气污染中，是最大的环境健康风险因素之一，与全球每年数百万人过早死亡直接相关。在非传染性健康原因导致的死亡名单中，空气污染排在第二位。

在美国，室内外空气质量由环境保护署（EPA）管理。美国环境保护署（EPA）已经表明，室内污染物含量可能比外部污染物含量高出100倍，空气质量差是威胁公众健康的五大环境风险之一。PM是悬浮在空气中的有机物和无机物的固体颗粒和液体颗粒的混合物，被认为是最常见的污染物。PM（PM2.5和PM10）造成的空气污染对城市居民的健康构成重大威胁。有害健康的PM可深入肺部，可能导致心血管疾病和肺癌。低室内空气质量除了影响神经系统的健康问题外，还与其他长期疾病有关。简单的干预措施，如业主进行的自然通风，就对室内空气品质有显著的积极影响。但是，考虑到家庭的热舒适性，自然通风的气候条件是至关重要的。此外，应考虑手动调节自然通风造成的功率损失。因此，室内实时监测空气品质对检测健康状况非常重要。

今天，城市在实现社会经济发展和生活质量目标的方面面临着有趣的挑战和问题，而“智慧城市”的概念正是对这些挑战的回应。智慧城市与减少快速城市化带来的问题的对策直接相关。物联网是一个物理对象相互连接或更大系统的网络。这个网络从我们日常生活中使用的不同设备收集大量数据，并将其转换为可利用的信息。迅速兴起的物联网概念支持许多不同的领域和应用，包括卫生、教育、农业、工业和环境监测。实时环境监测与分析是物联网的一个重要研究领域。物联网为改善环境质量、创新现实生活的智能城市提供了具有特色的方案。智能家居是智慧城市不可或缺的元素。未来，智能家居将通过智能手机应用程序进行全面管理，并将包括由微传感器支持的物联网可穿戴设备。迄今为止，文献中已经进行了一些研究，目的是为空气质量监测分析建立实时解决方案。

已经提出的许多基于物联网的空气质量监测系统，使用微型传感器进行数据收集，包括数据处理和传输的开源技术。根据室内空气质量分析，室内PM2.5污染主要来自室外。在另一项研究中，我们调查了三种典型的活动，在家里放壁炉、用厨房用具做饭和烤面包，发现室内污染物PM2.5、PM10和VOC水平高于限定值。在珀斯市区对63名年龄在18-65岁之间的参与者进行的PM浓度监测表明，PM浓度过高使心跳次数每分钟增加4-6次，对收缩压（SBP）有显著影响。我们利用WEMOS D1微控制器和PMS5003 PM传感器，建立了基于物联网的室内空气品质测量系统。该系统允许家庭成员干预环境，辅助生活。

本文提出了一种基于物联网的低成本、便携式、实时的环境空气质量监测系统。对于提议的系统，Android界面主要是在Blynk平台设计的。然后，利用嵌入式架构ESP32模块，建立了系统的控制器单元。使用带有内部Wi-Fi模块的物联网控制器，所有测量的空气质量数据都显示在移动应用程序中，这些数据存储在云服务器上。移动界面为用户提供有关污染气体浓度、温度和湿度的数字和图形数据。如果任何气体浓度水平达到健康威胁值，电子鼻测量系统将通过移动应用程序向用户发送通知。这样，住户可以在必要时采取措施降低气体浓度。这些数据可以通过移动界面以图形方式查看，用户可以通过移动界面观察睡眠、清洁和烹饪等活动对气体浓度的影响。此外，基于物联网的电子鼻空气质量测量系统具有低成本（约100美元）、易于安装和通过DIY方式产生的开源功能。

第2章 相关工作

由于物联网和传感器技术的快速发展，人们对空气质量测量的兴趣持续增长。在一个包括覆盆子Pi和MICS-4514传感器的环境监测系统中，该系统能够在室内和室外对温度、湿度、光照、噪声水平、CO、NOx等多种环境参数进行评估。拟议的环境污染检测系统使用各种环境探测器来识别温度、湿度、光、气体和PM。系统使用STM32f4xx传感器和Sharp GP2Y1010传感器进行PM检测，使用TGS5342传感器对CO测量的所有数据存储在内部存储器中，并通过Wi-Fi网络存储在Internet服务器上。利用ATmega328AVR控制器、DHT22温度传感器、Sharp-GP2Y1010AU0F粉尘传感器和UVM-30A紫外传感器，提出了一种综合环境监测系统（IEMS）。在另一项研究中，纳米环境监测系统（nEMoS）被提出去使用基于物联网的室内环境质量（IEQ）评估系统，该评估系统是使用Arduino-Uno模块和诸如DHT22等低成本传感器创建的。为了确定包装产品的质量，我们还设计了一个基于物联网的测量系统，包括低成本的压力、温度、湿度、气体传感器（BME680、DHT2和MQ5）、Arduino和XBee无线模块。在本研究中，提出了一种基于物联网架构的空气质量监测系统，该系统利用无线传感器节点（WSN）、网关和Android用户界面，通过移动应用向用户提供温度、湿度、CO₂等环境数据。在基于物联网的室内空气品质实时监测系统中，以ESP8266为控制器，以MICS-6814和MICS-6814为检测单元，检测了CO₂、NO₂、乙醇、甲烷和丙烷等多种气体。该系统基于开源技术，具有向用户的手机应用程序发送实时通知的功能。该解决方案基于物联网概念，在研究中是完全无线的。该研究提出了一种室内空气质量监测解决方案，可以实时测量温度、湿度、PM10、CO₂和光强。Arduino UNO发射器利用ESP8266控制器和“ThingSpeak”开源物联网平台记录数据，实现无线互联网接入，提出了一种基于物联网架构的PM实时监控系统。iDust系统是使用开源技术和低成本传感器建立的。数据测量系统由WEMOS D1 Wi-Fi控制器和PMS 5003灰尘传感器组成，通过物联网传输给用户。

第3章 材料和方法

低空气质量对大部分时间呆在室内的人构成了严重的健康威胁。烟草烟雾、一氧化碳、二氧化氮、甲醛、石棉纤维、微生物和过敏原等污染物与健康问题密切相关。温度和湿度监测是日常生活的一部分，但在绝大多数建筑中，并没有进行实时的空气质量监测。本文提出了一种基于物联网电子鼻的空气质量测量系统，以实现实时、低成本、易于安装的空气质量监测。利用所提出的E-Nose系统，除了测量CO₂、CO、PM10和NO₂等污染气体外，还实时测量环境温度和湿度值。关于这些被监测气体过量存在的信息作为通知通过移动应用程序传送给用户。这是一个使用ESP32模块开发的完全无线解决方案，该模块将IEEE 802.11b/g/n网络协议集成到物联网体系结构中。

图1给出了建议的E-Nose系统的体系结构。空气质量实时监测系统提供有关环境中污染物浓度的信息。它提供有关生活环境空气质量的精确和详细信息，并有助于规划导致空气质量改善的干预措施。图1中的E-Nose空气质量监测系统由两部分组成：第一部分是检测和通信单元，由内置Wi-Fi的基于ESP32微控制器的传感器阵列组成；第二部分是基于Android/iOS的移动用户界面。

图1 提出E-Nose系统的体系结构

带有内置Wi-Fi模块的ESP32模块用于为监测空气质量而创建的电子鼻系统。低成本和高性能的32位控制器通常是物联网应用的首选。ESP32具有双核结构，内部有许多模块，如Wi-Fi、蓝牙、射频、红外、CAN、以太网、温度传感器、霍尔效应传感器和智能家居应用所需的触摸传感器。在ESP32模块结构中，Harvard Tensilica Xtensa LX6 32位双核处理器的最大工作频率可达240兆赫。检测单元包括传感器GP2Y1010AU、MH-Z14、MICS-4514和DHT2，可以用于测量空气质量参数，如CO₂、CO、PM10、NO₂、温度和湿度。

GP2Y1010AU是一个带有模拟输出系统的灰尘传感器。红外发光二极管（IRED）和光电晶体管彼此交叉布置，在传感器气室内的灰尘反射的红外光束由光电晶体管检测并产生相应的电压。

MH-Z14A二氧化碳传感器模块采用非色散红外（NDIR）原理。它测量0-5000 ppm，5 ppm分辨率，精度为plusmn;50 ppm。传感器模块以三种不同的输出模式发送二氧化碳浓度：串行输出（RS-232）、模拟输出和脉冲宽度调制（PWM）。

MICS-4514主要用于测量汽车尾气的排放量，也用于测量NO₂、CO和碳氢化合物等气体的浓度。该传感器有一个内置加热元件和一个微型传感膜在上侧。MICS-4514包括两个传感器芯片，带有独立的加热器和精致的层。一个传感器芯片检测氧化气体（Ox），另一个传感器检测还原气体（红色）。

DHT22由两部分组成：热敏电阻温度传感器和电容式湿度传感器。DHT22是一种先进的传感器单元，提供校准的数字信号输出。它配备8位微控制器，响应时间短。温度测量相对误差为plusmn;0.5℃，湿度测量相对误差为plusmn;2% rH。表1给出了物联网电子鼻系统中使用的传感器的电子特性。

表1 物联网电子鼻测量系统中传感器的电子特性

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