TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4740 ~ 4 7 4 6   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.549 4          4740     Re cei v ed  De cem ber 2 9 , 2013; Re vi sed  March 8, 201 4; Acce pted  March 22, 20 14   Investigations of Wireless Sensor Networks for Indoor  Particulate Matter Monitoring      Heng Lu o 1 *, Ai Huan g Gu o 2 , Jianping Chen 3 , Yu Ta ng 4 , Weizho ng Yu 5 , Yafei Ji 1,3, 4,5 Suzhou ke y la bor ator y   of mobil e  net w o rk ing a nd a ppl ie d  technol og ies,   SuZ hou U n iver sit y  of Scie nce  and T e chno log y , Chi n a   2 School of Elec tronic an d Infor m ation En gi ne erin g, T ongji Universit y , Ch in *Corres p o ndi n g  author; em ail :  luohe ng 198 1 @ 16 3.com 1 , tjgah @mai l.tong ji.ed u.cn 2 ala n jpc h e n @ y aho o.com 3 , usts y t o ng@s i na.c o m 4 , usts w z yu @sina.c o m  5 , ustsy f ji@ sohu.com     A b st r a ct   Precise  me asu r ement of i ndo or ma ss co nce n tration  of parti culate  matter i s  criticial l y i m p o rtant fo r   the he alth r i sk  eval uatio n si nc e mod e rn  peo ple s p e nd  mor e  than  90 % of  their l i fe in do or s. F o r the sake  of   accuracy, l ong -term  mo nitori ng syste m s sh oul d be  de ploy ed a m ong w h i c h w i reless s e nsor n e tw ork is   a   soun d sol u tio n .  How e ver, most of the w i reless s ens or n e tw orks are b a ttery pow ered  and th us en e r gy   ma na ge me nt s c he me s h o u ld  be i m ple m ent ed to pr ol ong  the lifeti m e of  the w hole  net w o rk. Meanw hile ,   sample sites must be select e d  carefully to a v oid the resu lts bias.  In  this pap er,  the i m p o rtance  of s a mp l e   interva l  as  w e l l  as s a mpl e  l o cations  is i n ve stigated  the o r e tically  a nd  pr actically.  Res u lts show  that  by  ado ptin g efficic ent p o w e ma n age ment sc he me,  more   tha n  67%   of ener gy can be   save d. F i nally,   metho d s   of sample i n ter v al confi gurati o n as w e ll as  sa mp le sites se le ction are pr op o s ed.       Ke y w ords :   particulate  m a tter  pollutants,  wireless sensor network,  sample  interval, samp le  l o ca ti o n ener gy red u ction      Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Extensive ep idemiolo gical  studi es hav e p r ov ided  stron g  evide n ce   of  a s so ciation s   betwe en in do or p a rti c ulate  matters a n d  adverse   hu man h ealth,  esp e ci ally for young  chil dren,  becau se a la rge p a rt of lifetime, excee d ing  90%, of  mode rn pe o p le wa spe n t indoo rs. T h e   results in [1]  showed cl ose relationshi p  bet ween  i n door particul ate  matters and  the risks  for   respiratory d i sea s e s  in y oung  child re n. Other   stu d ies al so  de monst r ated t he conne ctio n   betwe en p a rt iculate  matte rs  and  pulm onary i n jury  [2], neuro d e gene rative di sorde r s [3]   a nd  cardiova scula r  dise ase [4].   Great effort s, therefore,   have been  devoted to study t he long-te rm vari ation of  con c e n tration  of particu late matters  indoors  [5 ] [6], the relation ship  betwe en ind o o r an d outdo or  PM polluta nts [7 ] [8], spatial  variation of P M  pollutants [ 9 and factors influencing  v a riability in the   infiltration of PM pollutants and its comp onent s [10].  The re sult s obtained in mu ch literatu r e, it is  observed, u s e long -term  sample s befo r e whi c wi reless sen s o r  netwo rk sh ou ld  be  d eploye d   to avoid destroying origi n al room stru cture s   an d reco rd the d ensity of particulate matter   pollutant s wit hout the ca re  of human bei ngs  while mai n taining a c cu racy.    Ho wever, m o st of wi rele ss sen s o r  n e tworks  are  batt e ry po we red   due to th e co nstrai nts   of sampl e  lo cation s an absen ce of p r efixed po we r infrast r uctu re. As a co nseque nce, en ergy  con s e r vation  scheme s   sh o u ld be i m ple m ented to  pr olong th e lifetime of sen s or netwo rk so that   more  sample can  be  coll ected  autom a t ically. Mean while,  sam p le   sit e s sele ction is al so  crucial  sin c ran d o m  sa mple  lo cation s m a lead to  up to  20% diffe re nce  amo ng fi nal me asure m ent  res u lts  Error !  Re ference s o urce not found. .   In this pa pe r, the proble m s of en erg y   redu ction and sampl e   sites sel e ct ion  are   investigate d   carefuuly foll owe d  by p r opo sing  an  energy savin g  sche me b a sei ng o n  t h e   observation t hat the difference betwe e n  two nei gh borin g sam p l i ng re sults i s  marginal. T h e   pape r is  org anized a s  fo llows. Sectio n 2 de sc ribl es the  experiments tool s and the o ret i cal   simulato r. Th e third p a rt  discu s ses th e experi m ent  and  simulati on re sult s an d estimate s t he  energy red u ct ion level by using e nergy saving sc hem es. The final  se ction con c l ude s this pa p e r.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Inv e s t igations of Wireless  Sens or Networks  fo r Ind o o r  Particulate Matter Monito ring (He ng Lu o)  4741 2. Rese arch  Metho d   Practi cal m e a s ureme n t an d theo retical  analysi s   are   combi ned  to i n vestigate  th e issu es  in particulate  matter wi rele ss  sen s o r  net works indo ors.     2.1. Samplin g Equipment  The dire ct re ading   monito ring device, Dylos  Air Qu ality  Monitors  (Mo del DC1 700, with  external  dime nsio ns of 17. 78mm*1 1 .43 mm*7.62mm )  we re  used in  this p ape r. It dep end s a  li ght  scattering te chniqu e to determin e  the d ensity of  airb orne m a tter  with 2 si ze ra nge s sm all (with   diamete r  > 0. 5 μ m) an d large (dia meter  > 2.5 μ m). An  air sam p le is cont in uo us ly d r aw n  in to  th instru ment by  a pump. The  incomi ng air  passe s th rou gh a la ser  be am in a ph otometer a nd t he  den sity of particulate matte r is displayed  and re co rd ed         Figure 1. Sample Devi ce       2.2. Samplin g Locatio ns   Five sa mplin g lo cation s in  the sch ool  campu s  a r chosen a nd t w o are  sho w n i n  Figu re   2. The buil d i ng was  con s t r ucte d in 2 0 0 0  and the r e i s n’t any ai r-condition er  system in all fi ve   locat i o n s.         (a)  Cla s sroo m #1 (18m *9 m)    (b)  Cla s sroo m #2 (6m* 9m   Figure 2. Two  Sampling Lo cation                                                                2.3. Data  Col l ection   The inst rume nts we re op erated fo r 47  days from 2  September  2013 to 18  Octob e 2013. T he  sa mpling p e ri od s a r e 1 2  ho urs from  8 am  to 10 p m . The  sam p ling i n terval i s  1 mi n u te  originally.    2.4. Theore t ical Model-Computa t iona l Fluid D y namics (CF D Beside s exp e r imental m e a s ureme n ts, a  theor eti c al  model, comp utation fluid  dynamics  model, i s  em ployed. By solving a  colle ction of  parti al differe ntial equatio ns  n u meri cally fo r the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4740 – 4 746   4742 con s e r vation  of ma ss,  ene rgy a nd tu rbu l ence q uantit i e s,  CF D mo d e l is abl e to  p r ovide t he fiel distrib u tion of co ntamina n ts. Despite  of so me   un certaintie s in  t he m odel  the  CF D m odel   has  become mo re  and more po pular  with the  developme n t of computing  capa city.      3. Results a nd Analy s is  Both experim ental re sults  and theo retical simulatio n  results a r e an alyzed in thi s  se ction.     3.1. Sample Interv al  (1) Ex pe rime nt result s   For the sake of spa c e limitations, only two  sets of measurin g sam p les a r e de pi cted in   Figure 3. Ho wever, othe sampl e s h a ve simila r perf o rma n ce.   As seen  in Fi gure  3(a), th e ma ss con c entrati on  of P M 2.5 de crea sed  slig htly with time.  Ho wever, a n  unexpe cted  swift growth  at the fi nal stage i s  ob served  sin c e t hat lectu r was  ende d 3 min u tes a hea d of sched uled  time. Like wi se, the d e n s i t y of PM2.5 in Figu re 3 0 (b)   decli ned  with time. Neverth e less, it decreased  mu ch  quicke r  than that in Figure 3(a ) .   Mean while, it is observed  that the mass  con c e n tra t ion in Figure 3 0 (b) i s  hi gher o n   averag e com pare d  to that  in 0(a ) . Th e  main  cau s e  is that the  wind ow i s   sh ut down whe n   temperature  decrea s e s  an d therefo r e th e excha ge rat e  betwe en in door a nd out door ai r is  sm all.         (a) Sampl e in 8:55 ~9:4 0 on 17 Septe m ber, 20 13 (23 Ԩ  ~ 3 2 Ԩ , Sunny)       (b) Sampl e in 8:55 ~9:4 0 on 8 Octo ber,  2013 (2 0 Ԩ  ~ 23 Ԩ , Rainny)    Figure 3. Samples in a Pe riod of 45 min u tes in  SuZh ou Unive r sity of Science an d Tech nolo g     (2) T heo retic a l simulatio n  res u lts   CFD m odel is used to sim u late the temporal  di stributi on of PM2. 5. The average  outdoo den sity of PM2.5 is confi gure d  to  75  μ g/m 3 , which i s  a n  ave r ag e  mass  co nce n tration i n   Ch ina.  As see n  in Fi gure 4 the d e n sity of PM2.5 varies  with time. However, the difference is not larg e.      P M 2. 5 t e m p o r a l  di s t r i bu t i on 10 20 30 40 0 5 1 0 15 2 0 25 30 3 5 40 Ti m e  ( m i n ) D ens i t y  (u g/ m 3 ) P M 2 . 5 t e m p or a l  d i s t r i bu t i on 35 45 55 0 5 1 0 15 20 25 30 35 40 Ti m e  ( m i n ) De n s i t y  ( u g / m 3 ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Inv e s t igations of Wireless  Sens or Networks  fo r Ind o o r  Particulate Matter Monito ring (He ng Lu o)  4743   (a)  3 minute s  after initial stage     (b)  5 minute s  after initial stage       (c)  7 minute s  after initial stage     Figure 4. Simulation Results by CF D Mo del       As see n  in Fi gure 4, the dif f eren ce all three figure s  is  margi nal.       (3) Dis c u s sio n   (a) Sam p ling  interval optim ization   As con c lu de d from Figure 3, the con c entrati on of  particul a te matters i s  temperature   related. It is obse r ved, ho wever, that the di fference be tween two n e i ghbo ring  sam p ling re sult s is   margi nal. As  a con s e que n c e, the sa mpl i ng interval , it is sug g e s ted ,  should b e  prolong ed so that  much m o re e nergy can be  saved.    Different  sam p ling inte rval s a r e em ploy ed to  test the  reliability of t he propo se energy  con s e r vation  scheme s  a n d  the re sults  are  sho w in  Figure  5 wh ere, for exa m ple, interval _1   mean s the sampling inte rval equal s 1  minute. As  d epicte d , the differen c e b e t ween  “interv a l_1”  and  “interval _3”  are  ma rginal. However, the  diffe rence be co m e s o b viou as the  interval  increa se s to 5 minutes. Th erefo r e, the inte rval, in this  c a s e , is   s e t to 3 minutes .           Figure 5. Samples  with Di fferent Interv als in 8:55  ~9 :40 on 17 O c tober, 20 13 (1 8 Ԩ  ~ 22 Ԩ Clou dy)  P M 2. 5 t e m por al  di s t r i but i o n 40 44 48 52 0 5 10 15 2 0 25 30 35 40 45 Ti m e  ( m i n ) D ens i t y  (ug/ m 3 ) i n t e r v al _1 i n t e r v al _3 i n t e r v al _5 i n t e r v al _9 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4740 – 4 746   4744 (b)Tra nsmi ssi on interval op timization   Figure 6  d e scribe s  th e p o wer  co nsumpti on of   the  wh o l e PM  se nsor network. A s   sho w n,  transmissio energy cost  cou n ts fo r a bout 4 2 % of  the total e n ergy  con s um ption. The r ef ore,  more e nergy may be save d by extendin g  the sampli n g  interval.          Figure 6. Power  Con s u m ption of DC17 00 (PM2.5 m onitor) and  CC25 30 (TX d e vice)      (c) Total ene rgy redu ction   The total red u ce d ene rgy is estim a ted via:    =+ __ s a m p l e _ PP P re duc e d all r e duc ed red u c e d T X                                                 (1)     Whe r P reduced_all  is the  total powe r   redu ction,  P r educed _sa m ple   and  P reduced_ TX  denote p o w er  redu ction by  sampli ng inte rval increa se  as we ll as  less  trans m is s i on times  res pec tively.        Table 1. Esti mated Energ y  Cost for 3  minutes    sampling pow er   cost ( m w)  T X  pow e r  cost (mw)  T o tal pow e r  cost ( m w )   interval_1  1.4 × 3  1 × 3  7.2  interval_3  1.4 × 1  1 × 1  2.4      Table  1 item ize s  the  po wer  con s u m pti on of  sam p li ng a nd tran smissi on  part  usi n g   Eqation (1).  As seen, th e  total po we r co nsu m pt io n of inte rval _1 tripl e s th at of interval _3 demon stratin g  the efficien cy of the prop ose d  ene rgy saving me ch anism the o retically.    3.2. Samplin g Sites   Beside s sam p le interval, sample lo catio n s may also  have gre a t impact on the  accu ra cy  of the monitoring re sults.   (1) Ex pe rime nt result s   For the sake of spa c e limitations, only two  sets of measurin g sam p les a r e de pi cted in   Figure 7. Ho wever, othe sampl e s h a ve simila r perf o rma n ce.   As sh own, the mass  con c entration  of PM2.5 in  ba ck door i s  hi ghe r than that in the front   door si nce t he ba ck d o o r  was al way s  o pen  befo r cla ss.  On e mo re findi ng i s  that t h e   con c e n tration  of PM was tempe r ature related an it wa s high er in  cold day s. Last but not th least, the  diff eren ce  of  co nce n tration  b e twee the   front  do or  an d back doo r sa mples wa la rge   at the initial  sampling  sta g e  after  whi c h  those tw o lin es  overla ppe d with  time u n til rea c hi ng t h e   same value finally.  Po w e r  c o s t 58 % 42 % DC 170 0 C C 2530 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Inv e s t igations of Wireless  Sens or Networks  fo r Ind o o r  Particulate Matter Monito ring (He ng Lu o)  4745   (a) Sam p le s in 8:55 ~ 9:40  on 17 Septe m ber, 20 13 (23  ~ 3 2 , Sunny)      (b) Sam p le s in 8:55 ~9:4 0 on 16 O c tobe r, 2013 (13  ~  20 , Cl ou dy)    Figure 7. PM2.5 Sample     (2) T heo retic a l simulatio n  res u lts   Mass con c en tration of ind oor p a rticulat e ma tter in two site s a r evaluated. O ne site i s   sele cted  ne ar the ve ntilatio n  site   while  th e othe i s  lo cated in  the  ro om. The  resul t s a r sh own  in   Figure 8. A s   observed, th e  differen c e  in  two  sites be comes smalle r with time  bef ore  overl appi ng  with eac h  other.         Figure 8. PM2.5 Spatial Di stributio n       4. Conclusio n   Wirel e ss  se nso r  net work is a  pro m ising  altern ative for ind oor p a rticula t e matter  pollutant s monitorin g . Ho wever, bot h  the sampl e  interval co nfiguratio n a nd sa mple  sites  sele ction may  lead to the re sults bi as.    An energy saving schem e is prop ose d  in this pap er to redu ce  the powe r  co st for the  sen s o r  n e two r k fo r p a rti c ul ate matter m onitorin g . Th eoreti c al  anal ysis  sh ows t hat 66%  ene rgy  may be save d by this method.   Two lo catio n s  (the front  door  and b a ck  doo r)  we re sele cted t o  deploy the  sen s o r   netwo rks fo particulate m a tters m onito ring in thi s  p a per  so th at the effects  of random  sel e ct ion  P M 2. 5 s p a t i c al   d i s t r i bu ti on 20 35 50 0 5 10 15 20 25 30 35 4 0 4 5 Ti m e  ( m i n ) D ens i t y  ( ug/ m 3 ) b a c k _d oo r f r o n t _ do or P M 2. 5 s pati a l  di s t r i buti o n 120 140 160 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Ti m e  ( m i n ) De n s i t y ( u g / m3 ) bac k _door f r ont _door P M 2.5  s p ati a l  di s t r i bu ti on 20 40 60 80 0 5 10 1 5 20 2 5 30 35 4 0 45 Ti m e  ( m i n ) D ens i t y  ( ug/ m 3 ) si t e _ 1 s i t e_2 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4740 – 4 746   4746 of sampl e  po int can b e  tested. Extensi v e exper ime n t s sh ow that  different sam p le point s m a result in 50% differen c e at most.       Ackn o w l e dg ements   The p r oj ect  wa s fun d e d  by the  State  Key Labo rato ry  of Advance d  Opti cal  Comm uni cati on Systems  Networks a n d  Suzhou  S c ie nce a nd Te ch nology Fun d  (SZS20130 4).       Referen ces   [1]  F r anck U, Herb arth O, Röder S, et al. Respir ator y   e ffects of indo or particl e s  in  youn g chi l d ren ar e size   dep en dent.  Sci ence of the T o t a l Envir o n m e n t . 2011; 40 9(9): 162 1-16 31.   [2]  Künzli N, Mudw a y  IS, Götschi T ,  et al. Comparis on  of o x i d ative pr op ertie s light absor b ance, and   total  and  el ement al  mass conc entr a tion  of am bie n PM2. 5 c o ll ected  at 20  Eu rope an s i tes.  En vi ronm e n t a l   hea lth pers pec tives . 2006; 1 1 4 (5): 684- 69 0.  [3]  Peters A, Ver o nesi  B, Ca lder ón-Garci due ña s L,  et al.  T r anslocati on an d potenti a l ne uro l ogic a l   effect s   of fine an d ultr afine p a rt icles  a critical u pdat e.  Part Fibre Toxicol . 2 0 0 6 ; 3(13): 1-13.   [4]  Miller KA, Sis c ovick DS, Sh epp ard L, et a l . Lon g-term e x p o sur e  to air  poll u tio n  an d  incid enc e of   cardiovascular events  in  w o m en.  New  Engl a nd Jour nal  of Medici ne . 20 07 ; 356: 447- 458.   [5]  MacNei ll M,  Wallac e  L, Ke arn e y  J, et  al. Fac t ors  influ enci n g  varia b ilit y i n  th e infiltr a tion  of PM2.5 mas s   and its comp on ents.  Atm o sphe ri c En vi ro nm en t . 2012; 61:5 1 8 -53 2 [6]  Mollo y SB, C hen g M, Galb all y  IE, et al.  Indoor   air q u a lit y in t y p i ca l  temperate z o ne Austra lia n   d w el li ngs.  Atmospheric Envir o nm ent . 2012;  54: 400- 40 7.  [7]  Lóp ez-Ap a rici o  S, Smolík J,  Mašková L, et  al. Re l a tions hi p of ind oor a n d  outd oor a i r p o llut ants in  a   natura l l y  venti l a ted histor ical buil d i ng  e n vel o pe.  Buil din g  an d Enviro n m ent.   2011; 46: 14 6 0 -14 68.   [8]  Molle  R, Mazo ué S, Géh i n É ,  et al. Indo or- out do or re latio n shi p s of a i rb orne  particl es  and  nitro g e n   dio x i de i n sid e   Parisia n  bus es Atm o spheric Environm ent.  2 013; 69: 2 40-2 48.   [9]  Eeftens M,  T s ai MY, Ampe C, et al. Spatia l vari ati on of P M 2. 5, PM10,  PM2. 5 absor b ance a nd PM   coarse  conc en trations  bet w e en  and   w i t h in   20 E u rop e a n  s t ud y ar eas  an d the  rel a tio n s h ip   w i th  NO2- Results of the  ESCAPE project.  Atmospher i c  Environ m ent.  2012; 6 2 : 303- 317.   [10]  MacNei ll  M, W a llac e   L K earn e y  J, et  al. F a c t ors  infl uenc in g  vari abi lit y i n  th e i n filtratio n   of  PM2.5 ma s s   and its comp on ents.  Atm o sphe ri c En vi ro nm en t.  2012; 61: 5 18-5 32.   [11]  Hui PS, W ong  LT , Mui KW.  Evalu a tion of  professi ona l choic e  of sampl i ng loc a tio n s for indo or air   qua lit y  assess ment.  Build ing and  e n viro n m e n t . 2007; 42( 8): 2900- 29 07.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.