+ All Categories
Home > Documents > UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I...

UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I...

Date post: 09-Jun-2020
Category:
Upload: others
View: 0 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
67
1 THE UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES SCHOOL OF ELECTRICAL ENGINEERING AND TELECOMMUNICATIONS “Haze Watch: Design of a wireless sensor board for measuring air pollution” James Carrapetta Bachelor of Engineering October 2010 Supervisor: Dr Vijay Sivaraman
Transcript
Page 1: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

1  

THE UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES 

SCHOOL OF ELECTRICAL ENGINEERING AND TELECOMMUNICATIONS 

“Haze Watch: Design of a wireless sensor board for measuring air 

pollution” 

James Carrapetta  

Bachelor of Engineering 

October 2010 

Supervisor: Dr Vijay Sivaraman 

Page 2: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

Thesis title: Haze Watch: Design of a wireless sensor board for measuring air pollution Topic number: VR24 Student Name: James Carrapetta Student ID: z3220273 A. Problem statement Air pollution is responsible for 2.3% of Australian deaths each year and costs the government of NSW an estimated $4.7billion per year in health costs. With ever increasing levels of exposure to toxic air pollutants, significant health risks and issues are arising. Current air monitoring systems is Sydney are too few and far apart to be used in any reliable or accurate sense to determine the air pollution for a location between these fixed sites. A new air pollution monitoring system is needed that collects far more air pollution samples on a more regular basis and over a larger geographical area. B. Objective The objective of this thesis is to critically analyse the current air monitoring system in Sydney and demonstrate its ineffectiveness to model air pollution accurately. A design of a mobile sensor that can be used to measure air pollution in real time will be proposed and tested thoroughly. The benefits of an improved air monitoring system will also be realised. C. My solution A proposed design for a wireless sensor board that attaches to the external of motor vehicles and is able to measure carbon monoxide, nitrogen dioxide and ozone. This device will connect to a Smart Phone via a Bluetooth connect to transfer pollution measurements. The Smart Phone will record both the GPS co-ordinates and the time of the sample and upload it to a database on a server in real time. The wireless sensor board will be able to record measurements while the user drives collecting data over a large geographical region. D. Contributions (at most one per line, most important first) Designed and built a wireless sensor board that is able to take air pollution measurements and upload them to a central server in real time via a Smart Phone. Demonstrated that the current air monitoring system in Sydney is inaccurate and unreliable to use to model air pollution. Demonstrated that air pollution varies significantly in different parts of Sydney and that a more dense sensing network is required to accurately model air pollution Improved the accuracy of air pollution applications such as the iPhone application for personal exposure estimations. Improved the quality of information required to produce more accurate visualisation maps of air pollution in Sydney. E. Suggestions for future work - Improving the accuracy of gas sensors and improving calibration techniques - Accounting for other variables towards air pollution including temperature & speed - Creating a complete stand alone wireless sensor board independent of Smart Phones While I may have benefited from discussion with other people, I certify that this thesis is entirely my own work, except where appropriately documented acknowledgements are included. Signature: Date: 20 /10 /2010

(i)

Page 3: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

6 Problem Statement 6 Objective

Theory (up to 5 most relevant ideas)

7 Air Pollution 8 Major Pollutants 9 Benefits from Air Monitoring 11 Existing Designs

Method of solution (up to 5 most relevant points)

14 - 18 Gas Sensors 19 - 22 Bluetooth Module + Message Structure

23 Smart Phone Application 24 - 29 Power Management 30 - 34 Printed Circuit Board (PCB) Design

Contributions (most important first)

12-33

Designed and built a wireless sensor board that is able to take air pollution measurements and upload them to a central server in real time via a Smart Phone.

38 – 40 44 - 46

Demonstrated that the current air monitoring system in Sydney is inaccurate and unreliable to use to model air pollution.

38 – 40 44 - 46

Demonstrated that air pollution varies significantly in different parts of Sydney and that a more dense sensing network is required to accurately model air pollution

41 – 45

Improved the accuracy of air pollution applications such as the iPhone application for personal exposure estimations.

41 – 45

Improved the quality of information required to produce more accurate visualisation maps of air pollution in Sydney.

My work

12,30 System block diagrams/algorithms/equations solved 35,

41 - 42 Description of procedure (e.g. for experiments)

Results

35 - 45 Succinct presentation of results 39 - 40 44 - 47

Analysis

46 - 47 Significance of results Conclusion

50 Statement of whether the outcomes met the objectives 48 - 49 Suggestions for future research

Literature: (up to 5 most important references) 7 [1] New South Wales Government. (2010, Jan.) 7,8 [2] World Health Organisation. (2006) 7 [4] State Government of Victoria. (2008, Nov.) 9,43,45,46 [5] A. Chow. (2010, Oct.) 9, 20 – 23, [6] N. Youdale . (2010, Oct.)

(ii)

Page 4: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

2  

Abstract  

Fresh breathing air has always been a basic requirement for human beings, however with current 

global trends we are beginning to lose this most basic privilege. Air pollution is a growing issue and a 

significant risk to the state of our environment, our livelihood and future generations.  Billions of 

dollars are spent every year by all levels of government in health bills and other costs related to air 

pollution. Motor vehicles are the largest contributors to air pollution in most urban environments and 

there are no signs of this trend changing in the near future. Medical studies are continually showing 

the importance of having clean air to breathe. Our environment is becoming polluted with toxic gases 

such as ozone, carbon monoxide, nitrogen dioxide, sulphur dioxide and particulate matter. All these 

toxic gases have the potential to cause mortality and significantly reduce the life expectancy of any 

society. Current air quality monitoring systems are either too expensive or too few and far apart to 

use in any reliable sense. A new style of air pollution monitoring system is proposed which brings the 

monitoring units to motor vehicles, the main source of the toxic pollutants. With this new system in 

action we can begin to take the first steps to an improved and healthier world.  

This report will discuss the motivations behind the need for a more dense air pollution monitoring 

system and outline the major air pollutants that endanger the environment and the health of humans. 

Current air monitoring systems and devices will be critically analysed to further demonstrate the need 

for mobile air pollution sensors. The detailed design of the wireless sensor board I built will be 

explained and experimental results will be discussed. Results of experiments using the wireless sensor 

board will further highlight the fundamental problems associated with current air monitoring systems 

in Sydney. Furthermore, it will be realised that using the wireless sensor board to collect air pollution 

samples will significantly improve applications such as personal exposure estimations and 

visualisation maps. It is through these applications that individuals will be able to closely monitor their 

personal exposure to air pollution and avoid areas of high concentration which are damaging to their 

health.    

   

Page 5: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

3  

Acknowledgements  

I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor. He has 

provided strong guidance, motivation and inspiration for my undergraduate thesis project. Dr. 

Sivaraman has provided me with continual feedback that has allowed me to develop both my 

technical engineering skills but also my time management abilities. I would also like to thank the other 

team members who are part of the Haze Watch project: Nikolaus Youdale and Amanda Chow. They 

have provided assistance and support throughout the overall project. Lastly I would also like to 

acknowledge and thank the School of Electrical Engineering at the University of New South Wales for 

providing me the facilities and funds required to complete this thesis project.  

 

   

Page 6: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

4  

Contents Abstract .......................................................................................................................................................... 2 

Acknowledgements ........................................................................................................................................ 3 

1.  Introduction ............................................................................................................................................ 6 

2.  Background Information ........................................................................................................................ 7 

2.1 Air Pollution .......................................................................................................................................... 7 

2.2 Major Pollutants .................................................................................................................................... 8 

2.3 Benefits from Air Pollution Monitoring ................................................................................................ 9 

2.4 Project Scope ...................................................................................................................................... 10 

2.5 Existing Designs ................................................................................................................................... 11 

3.  Design Overview ................................................................................................................................... 12 

3.1 System Design ..................................................................................................................................... 12 

3.2 Microcontroller ................................................................................................................................... 12 

3.3 Voltage Regulator ............................................................................................................................... 13 

3.4 Triple LED ............................................................................................................................................ 13 

3.5 Sensors ................................................................................................................................................ 14 

3.6 Calibration of Gas Sensors .................................................................................................................. 17 

3.7 Bluetooth Module ............................................................................................................................... 19 

3.8 Message Structure .............................................................................................................................. 20 

3.9 Smart Phone Application .................................................................................................................... 23 

4.  Power Management ............................................................................................................................. 24 

4.1 Power Requirements .......................................................................................................................... 24 

4.2 Batteries .............................................................................................................................................. 25 

4.3 Battery Performance ........................................................................................................................... 27 

4.4 Low Battery Detector .......................................................................................................................... 29 

5.  Printed Circuit Board (PCB) Design ...................................................................................................... 30 

5.1 Electrical Schematic ............................................................................................................................ 30 

5.2 Printed Circuit Board Design and Regulations .................................................................................... 30 

5.3 External Casing and Mounting ............................................................................................................ 33 

5.4 Bill of Materials ................................................................................................................................... 34 

6.  Experimentation and Results ............................................................................................................... 35 

6.1 Experiment 1 ....................................................................................................................................... 35 

6.2 Experiment 2 ....................................................................................................................................... 41 

7.  Discussion ............................................................................................................................................. 46 

8.  Future Developments ........................................................................................................................... 48 

9.  Conclusions ........................................................................................................................................... 50 

10.   Bibliography .......................................................................................................................................... 51 

Page 7: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

5  

11.   APPENDICES .......................................................................................................................................... 53 

11.1 Appendix I ......................................................................................................................................... 54 

11.2 Appendix 2 ........................................................................................................................................ 56 

11.3 Appendix 3 ........................................................................................................................................ 57 

 

   

Page 8: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

6  

1. Introduction  

In a world where environmental issues are becoming more significant than ever before, the issue of 

air pollution is constantly debated. Air pollution can severely impact the environment and the health 

of humans if risks and dangers are not appropriately dealt with. The air monitoring system currently 

being used in Sydney involves the use of 14 fixed air monitoring sites around Sydney. There are too 

few of these sites and they are far too apart to be used with any accuracy or reliability for modelling 

air pollution. As a result, a more accurate mobile sensor that can improve the density of air pollution 

samples is needed. 

This report will introduce the Haze Watch project that has arisen out of the need for a better air 

monitoring system in Sydney. The Haze Watch project consists of three team members: Nikolaus 

Youdale, James Carrapetta and Amanda Chow and is an initiative by the School of Electrical 

Engineering at the University of New South Wales. The Haze Watch project aims to implement a 

completely new air pollution monitoring system including a network of mobile air pollution sensors, a 

database for all pollution samples, visualisation maps to easily display and understand air pollution 

measurements and lastly an application for an iPhone to provide individuals an estimation of their 

personal exposure to air pollution. Through the Haze Watch project it is believed that individuals will 

be able to increase their own awareness about the risks and dangers of air pollution. With increased 

awareness about air pollution in the public, improvements in the health of societies and 

environments is expected.  

The design of the wireless sensor board will be broken down into several blocks for detailed 

explanation. This report will look at the various gas sensing technologies that are currently available 

and through comparison of each type justify the chosen type of sensors used on the wireless sensor 

board. Other aspects of the sensor board including the central processing unit and wireless 

connectivity will also be thoroughly discussed. Techniques for calibrating each individual gas sensor 

will also be explained.     

The aims and methods of the several experiments that were conducted using the wireless sensor 

board will be outlined and the results analysed in detail. Through these experiments the need for a 

more detailed air monitoring system will be clearly shown. Furthermore, the benefits of using the 

wireless sensor board for applications such as the personal pollution exposure iPhone application and 

the visualisation maps will be realised. Lastly, the key areas that require further development and 

improvement in order to ensure the Haze Watch project continues to grow will be discussed.   

 

Page 9: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

7  

2. Background Information 

2.1 Air Pollution Air pollution is responsible for 2.3% of Australian deaths each year and costs the government of NSW 

an estimated $4.7billion per year in health costs [1]. In fact, air pollution is the cause of more 

premature deaths in New South Wales each year than car accidents [1]. This is not only a serious issue 

in Australia, but also worldwide. Air pollution is seen as a major environmental risk and has been 

estimated to cause up to 2 million premature deaths worldwide per year [2]. Fresh breathing air has 

always been a basic requirement for human beings. With ever increasing levels of exposure to toxic 

air pollutants, significant health risks and issues are arising. Health affects include heart disease, 

respiratory infections, lung cancer and poor blood circulation; all which can lead to mortality.  

 

Figure 1 ‐ Sources of Air Pollution in the Sydney Region [3] 

As can be seen in Figure 1, vehicle emissions are the largest contribution to air pollution in Sydney and 

contribute to 75 per cent of Melbourne’s air pollution [4]. This indicates that areas surrounding busy 

transport corridors such as roads and freeways will have the highest levels of air pollutant 

concentrations. With Australia’s cities continuing to grow there are increasing trends for long distant 

commutes from outer suburbs into city centres, increasing travel times. This leads to significant 

increases in exposure to high levels of air pollutants while commuting to and from work on a daily 

basis.  

Despite the fact that many people are aware they are being exposed to such high levels of air 

pollution, people often neglect to change any of their routines in an attempt to reduce such exposure 

paths. It is a popular belief that personal exposure to poor air quality is uncontrollable by an individual 

and thus individuals rely heavily on government bodies to act on such health risks. However, it is 

thought that if an individual was able to monitor their own personal exposures they may begin to 

alter their routines.  

Commercial2%

Domestic‐Commercial

17%

Industrial7%

Off‐Road Mobile5%

On‐Road Mobile69%

Commercial

Domestic‐Commercial

Industrial

Off‐Road Mobile

On‐Road Mobile

Page 10: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

8  

2.2 Major Pollutants In New South Wales the Department of Environment, 

Climate Change and Water (DECCW) has the 

responsibility of monitoring the air quality of NSW. They 

currently have 14 fixed sites around Sydney as can be 

seen in Figure 2, which measure and update on an 

hourly basis. The DECCW uses a system which is 

referred to as the Regional Air Quality Index (RAQI) 

system, monitoring five main air pollutants: 

Ozone (O3)  

Carbon Monoxide (CO) 

Sulphur Dioxide (SO2) 

Nitrogen Dioxide (NO2) 

Particulate Matter (PM) 

Ozone has been linked with several breathing problems such as shortness of breath, coughing, chest 

pain and wheezing. It can also trigger asthma in many people and is the product of the interaction 

between emissions from motor cars and industry, with sunlight.  

Carbon monoxide is a very poisonous but colourless and odourless gas. It has been linked as the cause 

of many health problems such as cardiovascular and respiratory diseases. Carbon monoxide is 

produced when the carbon in fuels is not completely burnt but instead released into the environment. 

The major source of carbon monoxide is the exhaust of motor vehicles including cars, buses and 

trucks.  

Sulphur dioxide is a colourless reactive gas that can have significant health effects on humans such as 

the narrowing of airways, chest pains, shortness of breath and wheezing. At high concentrations it can 

also cause irritation of the eyes and long term exposures can do significant damage to vital organs 

including the lungs and heart. Sulphur dioxide is produced whenever minerals containing sulphur and 

fossil fuels are burnt, for example coal. 

Nitrogen dioxide is a toxic gas which causes significant inflammation of the airways and has long term 

health effects such as reduced lung function and growth. Nitrogen dioxide is produced as a bi‐product 

of the combustion of fuels, from either motor vehicles or industry applications such as power stations.  

Particulate matter (PM) is the most dangerous air pollutant and causes more health risks then any 

other air pollutant. PM refers to tiny particles of solid or liquid suspended in gas, which are small 

enough to pass deep into the lungs and even into the blood stream. PM can largely change the 

mortality and life expectancy rates of a city [2]. PM has the potential to cause severe health problems 

such as heart disease, lung dysfunction and even lung cancer. Burning fossil fuels in vehicles is a major 

contributor to particulate matter. 

 

Figure 2 ‐ Location of Monitoring Sites in 

Sydney [3] 

Page 11: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

9  

2.3 Benefits from Air Pollution Monitoring As previously mentioned, in Sydney there are currently only 14 monitoring sites, which are spread 

over a very large area. When there is a need to determine pollution levels for any region in between 

these fixed locations, either very complex algorithms or inaccurate measures are used. This can lead 

to applied uses of unreliable data, for example in medical studies, personal exposure calculations and 

future development plans. To overcome such issues, further research could be undertaken into more 

accurate modelling systems where the environmental topology, environmental conditions and 

characteristics of the pollutant itself determine an approximation. Another approach would be to 

increase the number of sensors. With an increase in the number of sensors, there is an increase in 

spatial density of pollution measurements, which improves both accuracy and reliability of air quality 

data.  

With improvement of air pollution data, new applications such as a personal 

air pollution exposure calculator could be used. Such an application would 

allow an individual with a global positioning system to track their daily 

commute and determine an estimation of their air pollution exposure. This 

application has been developed for Smart Phones as seen in Figure 3, which 

allows a member of the public to take more control over their personal 

exposures and give them the opportunity to reduce such large exposures.  

Another application could be real time air pollution monitoring maps, giving 

a member of the public a quick, easy and informative view of the current air 

pollution in their environment. Such an application could be accessed over 

the internet with a simple web browser as seen in Figure 4.    

  Figure 3 ‐ Smart Phone Application [6] 

Figure 4 ‐ Web Application for Real Time Monitoring of Air Pollution [5] 

Page 12: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

10  

2.4 Project Scope  Increased air pollution data has many advantages, including many medical benefits. The main 

motivation behind any monitoring system is to improve upon its imperfections. Through the Haze 

Watch project, we aim to monitor air pollution in order to improve the state of our environment and 

the health of humans. Hence it is envisaged that an improvement in the current monitoring system 

will allow for further improvement in human health and also sustainability of our environment.  

A proposed solution is the introduction of a new style of measuring air pollution, where the sensors 

themselves will be completely mobile and attached to motor vehicles, the source of the pollution. As 

people use their cars to commute from place to place, they will be able to collect measurements of air 

pollution while they drive. As seen in Figure 5, a wireless sensor board will be attached to the exterior 

of a motor vehicle and through a Bluetooth connection data will be transmitted to a Smart Phone 

within the car. From here, the Smart Phone can process the data, adding its GPS co‐ordinates and 

time stamping the data. The Smart Phone will then upload this data in a real time process via the 3G 

network to a central server on the internet. Once stored in a central place, various users and 

applications will be allowed to access all the data.  

 

 

 

 

 

The focus of this thesis was the development of the wireless sensor board as seen in Figure 6. The 

aims of this thesis were to design and produce a piece of hardware which was able to accurately 

measure various air pollutants and communicate these readings to the Smart Phone. The wireless 

sensor board had to be completely mobile and as the project scope defines, must be able to be 

attached to the exterior of a motor vehicle. Furthermore, this thesis proposed to develop a low cost 

unit able to be reproduced in large numbers for distribution. Throughout this thesis project I worked 

very closely with Nikolous Youdale to write an application for the Android phone operating system. 

This application provided the interface between the Smart Phone and the wireless sensor board. I also 

worked closely with Amanda Chow in her work of modelling the air pollution data on maps for 

visualisation. 

 

   

Figure 6 ‐ Haze Watch Project Scope 

Figure 5 – Haze Watch 

Wireless Sensor Board  

Page 13: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

11  

2.5 Existing Designs  There currently exist many devices on the market which measure air pollution, 

such as the product by Honeywell as seen in Figure 7. This device allows 

concurrent measurement of up to 5 gases, however does not record the GPS 

co‐ordinates of where the measurements were sampled from. Furthermore 

this product does not allow real time uploading of data and only once a trip is 

completed can the data be uploaded.   

There are also several research projects underway worldwide 

attempting to construct a similar device to the wireless sensor board. 

The MESSAGE project in the United Kingdom is developing small portable devices capable of 

measuring concentrations for carbon monoxide, ozone and nitrogen dioxide whilst carried around by 

humans. These devices are linked to their mobile phones via Bluetooth allowing real time data 

uploads. This project is currently only in its development stages and the portable units that are 

attached to the roof tops of cars are bulky and expensive. 

Intel is also currently developing a product as part of the 

Common Sense project. They have developed a prototype, as 

seen in Figure 8, which is a portable handheld device capable of 

measuring various air pollutants. This data can be uploaded in 

real time and viewed on Google Maps. Furthermore, the 

Common Sense project is currently running trials with these 

devices attached to the rooftops of street cleaners in the city of 

San Francisco.  

 

In New York, Chillrud are currently running trials of their prototype the iSniff, which is a small and 

portable air pollution sensor. Their main development has been to shrink the size of existing personal 

pollution sensors from backpack size to small pocket size units. The main aims of this project have 

been to create a device useable by children who have certain medical conditions and allergies, where 

the device will be able to alert them of any such dangers. However, these units do not upload any 

information to a central server, and are instead used for profiling personal exposure to air pollutants. 

The MAQUMON project has similar aims to the Haze Watch 

project with the development of a small wireless sensor 

board for mobile air pollution monitoring. This project is only 

in its early development stages and their prototype can be 

seen in Figure 9. This prototype attempts to have an onboard 

GPS and GSM unit in which it will be able to do all the data 

processing and uploading of data independent of a Smart 

Phone or PC. 

 All these research projects are in the early development 

stages. There are no completely working designs available to 

be purchased.  

   

Figure 7 ‐ GasAlertMicro 5 [14] 

Figure 8 ‐ Common Sense Project [15] 

Figure 9 ‐ MAQUMON Prototype [16] 

Page 14: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

12  

3. Design Overview  

3.1 System Design The design of the wireless sensor board is 

made up of 4 key main blocks as can be 

seen in Figure 10. Inspired by the 

MAQUMON design (Appendix 1), the 

wireless sensor board is designed around 

the microcontroller with all other blocks 

connecting through it. The gas sensors 

interface with the microcontroller through 

an analogue to digital converter, where 

voltage levels will be converted to a digital 

value. It is the responsibility of the 

microcontroller to concurrently measure 

all connected gas sensors and process all 

readings. Once the microcontroller has sampled 

and recorded readings from all sensors, it then 

assembles packets of data. These packets are 

then sent to the Smart Phone for further processing via the Bluetooth interface. The wireless sensor 

board uses replaceable batteries for its power source, which are rechargeable.  

3.2 Microcontroller The microcontroller (MCU) is at the centre of the wireless sensor board design. The MCU interfaces 

with every other component on the sensor board and contains all the logic required for operation. 

The MCU has to read voltage levels from the various gas sensors and convert this into a digital value. 

The MCU will then process these readings further and assemble a message with other critical 

information about the unit and the specific gas sensors. Once all the information that is required to 

assemble a message has been gathered the MCU will use a serial connection to send the data to the 

Bluetooth module, ready to transmit to the Smart Phone.  The MCU will also be constantly updating 

the status LED’s that are on the sensor board, providing the user with useful information such as 

power status, sending status and battery status.   

The wireless sensor board uses a microcontroller similar to the one shown in Figure 11 by Microchip, 

specifications (Appendix 2). The PIC16f690 is a 20 pin microcontroller which has 12 available channels 

with analogue to digital converters for the multiple gas sensors. The PIC16f690 also has a Universal 

Serial Asynchronous Receiver and Transmitter (USART) which allows for 

simple serial communication with the Bluetooth module. Also, the 

PIC16f690 has a 4MHz operating speed so that all sampling and 

transmitting can be completed in a reasonable amount of time. There are 

many microcontrollers that could have been used for this design, 

however this particular MCU has been chosen as it is simple to program 

and I have had previous experience using it.  

   

Figure 10 ‐ Block Diagram of Wireless Sensor Board

Figure 11 ‐ PIC 16f690 [17]  

Page 15: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

13  

The code for the microcontroller was written in C and the overall program was constructed from two 

files (Appendix 3). The code was broken into two separate files: one for the declaration of all 

constants and another file for all of the logic required to be executed. The constants required to be 

declared are specific to each sensor board and vary between each board. These constants include the 

unique board identification number, sensor coefficients, reference voltages and type of sensors in 

use. The execution code is the same for each sensor board and executes logic according to 

specifications set out in the declaration file. Breaking the overall program into two sections like this 

makes programming various units easier and more efficient. Each sensor board has its own unique 

declaration file which is modified accordingly and then simply compiled together with the execution 

code. When changes need to be made to certain constants they can be changed in one location in the 

declaration file and not in the various locations throughout the execution code. The code has been 

designed to easily allow future expansion to more units without having to restructure the whole 

program.  

 

3.3 Voltage Regulator The wireless sensor board uses a 3.3V voltage regulator to provide voltage 

protection to all components. Figure 12 shows the voltage regulator which 

takes any voltage level greater than 3.3V and limits the output to a 

constant 3.3V supply voltage. Limiting the power supply to only 3.3V is 

important as several components on the sensor board have a maximum 

voltage supply of 3.3V. Components such as the gas sensors and 

Bluetooth module are easily damaged when their power supply voltage 

exceeds their maximum operating voltage. Also a voltage regulator was 

required to ensure that the same supply voltage was provided regardless 

of the different type of batteries that may be used with the sensor board. 

Different types of batteries, for example AA (NiMH) rechargeable (1.2 volts) and AA alkaline (1.5 volts) 

batteries provide different supply voltages.  

 

3.4 Triple LED Figure 13 shows the triple LED that was incorporated into the design of the 

wireless sensor board to give the user an indication of the status of the device. 

The triple LED features a green, blue and red light which can be used 

individually or as a combination. The sensor board utilises the triple LED to 

indicate one of three possible states that the device can be in. The LED will 

flash the green LED periodically to indicate that the unit has power and is 

operating. A constant blue LED will be activated when the sensor board is 

transmitting data via its Bluetooth interface. A solid red LED will be used to 

indicate that the batteries are running low and only have 4 hours of operation 

left. This solid red LED will remain on, deactivating the other status LED’s until 

the batteries have been recharged.  

   

Figure 12 ‐ 3.3V Voltage [18]

Figure 13 ‐ Triple LED for Status Indication [18] 

Page 16: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

14  

 3.5 Sensors There are multiple types of sensing technologies available that could have been employed with the 

wireless sensor board. One type of sensor is a catalytic bead gas sensor, where pollutant gas enters a 

heating chamber. The gas is burnt and the produced heat is proportional to the level of pollution. 

However such sensors do not exist for toxic gas monitoring. Another type of sensor is an infrared (IR) 

gas sensor, where pollutant gas entering the IR chamber absorbs IR energy proportional to the level 

of concentration, which the collector can detect. These types of sensors have a significant advantage 

over many other sensors because they require very little calibration. However dirt and dust can enter 

the IR chamber and cover the detector, compromising measurements. Furthermore, current IR 

sensors are expensive and only available for specific gases.  

Currently the most popular method used for measuring toxic gases such as 

carbon monoxide and nitrogen dioxide is electrochemical gas sensors. 

Pollutant gas passes through the inner membrane of the gas chamber where 

it is oxidised, producing an electric current proportional to the level of 

concentration. Sensors similar to the one seen in Figure 14 are typically very 

accurate however are expensive (~$50 each) compared to other sensing 

technologies. 

 

There are also metal oxide semi‐conducting gas sensors which are designed for 

toxic gas monitoring.  A semiconductor material is heated and when a gaseous 

pollutant is introduced into the chamber, electrons are freed from the 

semiconductor. This decreases its effective resistance proportional to the level 

of pollution. Sensors such as those shown in Figure 15 are cheaper (~$25 each) 

compared to other sensing technology and are very small and compact. 

However these sensors are not as accurate as electrochemical gas sensors.  

 

 

 

 

 

 

 

   

Figure 14 ‐ Electrochemical Sensor [19] 

Figure 15 ‐ Metal Oxide Semiconductor 

Gas Sensor [19] 

Page 17: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

15  

Table 1 ‐ Comparison of Available Gas Sensors 

Gas Sensors 

Gas  Model  Manufacturer   Description  Price  Supply 

VoltageSensitivity  Physical Dimensions 

Carbon 

Monoxide 

(CO) 

MQ‐7  HANWEI 

ELECTRONICS  

Metal Oxide 

Sensor $4.95  5V

20 to 2000 

ppm 

21.4 mm (D) x 24 mm 

(H) 

MiCS‐5521  E2V Metal Oxide 

Sensor $24.65  2.35V

1 to 1000 

ppm 9.5 mm (D) x 3.9 mm (H) 

ec4‐500‐co  E2V  Electrochemical $46.36  5V 0 – 500 ppm 20 mm (D) x 16.6 mm 

(H) 

TGS2442  Figaro Metal Oxide 

Sensor $36.00  5V

30 – 1000 

ppm 

9.2 mm (D) x 12.7 mm 

(H) 

2112B3000A  City Tech  ElectrochemicalNot 

Available- 0 – 500 ppm  

20 mm (D) x 16.6 mm 

(H) 

Nitrogen 

Dioxide 

(NO2) 

MiCS 2710  E2V Metal Oxide 

Sensor $24.65  1.92V 

5 to 5000 

ppm 

9.5mm Diameter            

14mm Height with pins 

3NDH  City Tech  ElectrochemicalNot 

Available ‐  0 – 20 ppm 

41.2 mm (D) x 17.8 mm 

(H) 

TDS031  Dynament Metal Oxide 

Sensor 

Not 

Available3.0V 

5 to 5000 

ppm  

20mm Diameter                 

20mm Height with pins 

Ozone 

(O3) 

MiCS‐2610  E2V Metal Oxide 

Sensor $25.35  2.35V 0 to 1 ppm  9.5 mm (D) x 3.9 mm (H) 

3OZ CiTiceL  Ozone CiTiceL  ElectrochemicalNot 

Available ‐  0 to 2 ppm 

21.4 mm (D) x 24 mm 

(H) 

MQ‐131 HANWEI 

ELECTRONICS  

Metal Oxide 

Sensor $12.90  6.0V  0 to 2 ppm 

21.4 mm (D) x 24 mm 

(H) 

*All prices correct as of 27th September 2010 

A comparison between available gas sensors is shown in Table 1, which compares the type, price, 

required voltage, sensitivity and physical dimensions of the various gas sensors. The price varies 

considerably between different types of sensors and the manufacturer, with some sensors costing 

between $5 and $50. As is shown in Table 1 the metal oxide gas sensors are considerably smaller than 

the electrochemical sensors. Also a key difference between the electrochemical and metal oxide 

sensors is the required supply voltage. The electrochemical sensors require a larger supply voltage in 

the range of 5V, whereas some of the metal oxide sensors only require 2‐3V to operate. This is an 

important characteristic for the gas sensors as the wireless sensor board will be powered by batteries 

which will have a limited supply voltage.    

Page 18: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

16  

Metal oxide semiconductor gas sensors were chosen for the wireless sensor board for several 

reasons. Two key requirements for the wireless sensor board were the overall price and size of each 

device. Metal oxide sensors are both smaller and cheaper than currently available electrochemical gas 

sensors. As each sensor board will have multiple gas sensors it was also desired to use the same 

manufacturer of gas sensors for the different gases. Using gas sensors from the same manufacture 

simplifies the design of the printed circuit, as the same device footprint can be used and similar 

external circuitry is required. As can be seen from Table 1, E2V manufactures O3, CO and NO2 gas 

sensors, which are of the same size and have similar operating requirements. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

As can be seen in Figure 16, these metal oxide sensors require a rather simple external circuit in order 

to measure the concentration of the gas. The voltage Vs is measured by the MCU and from a graph 

similar to Figure 17, a concentration level can be determined in standard units of parts per billion 

(ppb).  

   

Figure 16 ‐ External Circuit [20] Figure 17 ‐ Resistance Vs Concentration 

Relationship [20] 

Page 19: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

17  

3.6 Calibration of Gas Sensors  Each gas sensor is manufactured slightly differently from others, which means that every gas sensor 

must be calibrated individually. This process involves correlating the voltage output of a particular 

sensor for a given air pollution reading. To correlate the sensors on the wireless sensor board a 

commercially available gas monitor was used, the GasAlertMicro 5. This device is capable of 

measuring both carbon monoxide and nitrogen dioxide. Both the wireless sensor board and the 

GasAlertMicro 5 were exposed to a varying concentration of gas pollutants and samples were 

recorded every second. Figure 18 shows the output of the two devices. The output of the sensor on 

the wireless sensor board is a measured voltage while the GasAlertMicro 5 device  gives a  pollution 

reading in parts per million (ppm).   

As is clearly illustrated in Figure 18, the voltage at the 

output of the sensor varies according to the amount of air 

pollution (obtained from the GasAlertMicro 5 device). The 

next step involves finding the correlation between these 

two graphs, allowing us to assign a voltage to a specific 

pollution reading. Figure 19 is a plot of the correlation 

between the output voltage of the sensor on the wireless 

sensor board and the pollution reading from the 

GasAlertMicro 5 device. A quadratic line of best fit was 

fitted to this set of data, which produced an equation in 

the form of: 

 

 

Figure 18 ‐ Measured carbon monoxide samples for calibration 

Figure 19 ‐ Correlation between voltage and air pollution 

Page 20: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

18  

This equation was then applied to the original voltage readings from the wireless sensor board to give 

estimated air pollution measurements. Figure 20 shows the comparison between the calculated air 

pollution from the wireless sensor board and the measured air pollution from the GasAlertMicro 5 

device. As can be seen, both graphs are very similar and highly correlated.    

 

Once each sensor has been calibrated, a unique mathematical equation will be associated with that 

sensor. Every sensor will have a similar equation in the form of a quadratic, however the coefficient of 

each term will vary from sensor to sensor. The microcontroller on each wireless sensor board will 

have the unique equations corresponding to its particular sensors programmed. 

Currently only the carbon monoxide and nitrogen dioxide sensors have been able to be calibrated on 

the wireless sensor board. The commercial air monitoring device which has been used to calibrate the 

gas sensors on the wireless sensor board is only able to measure carbon monoxide and nitrogen 

dioxide. Unfortunately this means that the ozone sensor that is also incorporated into the sensor 

board is unable to be used at the present time. However if a commercial ozone detector was used the 

ozone sensors on the wireless sensor board would also be able to be used to collect data.   

   

Figure 20 ‐ Comparison of estimated carbon monoxide pollution and measured pollution 

Page 21: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

19  

3.7 Bluetooth Module The wireless sensor board communicates with Smart Phones via a Bluetooth connection. Bluetooth 

was chosen as the communication technology for several reasons. Bluetooth offers a complete 

wireless service for personal area networks within a 10m range. Bluetooth does not require a line of 

sight path and has impressive low power performance. Furthermore Bluetooth is secure and offers 

data rates up to 721kbps which is more than sufficient for the wireless senor board’s requirements. 

Communication is only required in one direction from the microcontroller to the Smart Phone. The 

Bluetooth module is used to transfer the data readings from the gas sensors taken by the 

microcontroller to the Smart Phone. The microcontroller will interface with the Bluetooth module 

using the USART interface which only requires two simple connections; a Clear to Transmit (CTS) and a 

Serial Data Transmit (Tx). There are various different Bluetooth modules that are commercially 

available as shown in Table 2. 

 *All prices correct as of 30th May 2010 

All of the Bluetooth modules in Table 2 have similar functionality, electrical specifications and physical 

dimensions. The wireless sensor board uses the ARF32 Bluetooth module from Adenuis as seen in 

Figure 21. Although this module is not the cheapest module available, it has a very simple physical 

interface and is easy to connect with the PIC16f690 microcontroller. Also this module was easy to 

interface with the Smart Phone and can be easily customised for increased security and display 

properties. Although the LMX9830 by National Semiconductors was significantly cheaper than the 

ARF32, this module must be surface mounted, making interfacing with the microcontroller more 

complex and difficult. For early development of the wireless sensor board the ARF32 module was an 

appropriate choice, however if large scale production was to begin, further work should be spent on 

incorporating the LMX9830 module  as this would significantly reduce costs.  

 

 

    

Figure 21 ‐ Bluetooth Module [21]

Table 2 ‐ Comparison of Bluetooth Modules

Page 22: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

20  

3.8 Message Structure  For communication between the wireless sensor board and the Smart Phone an agreed message 

structure was determined. Each message that is sent from the wireless sensor board contains 

information including: 

Format Version (1 byte) 

Device identification number (2 bytes) 

Number of sensors on the wireless sensor board (1 byte) 

Calibration Coefficients (7 bytes) 

Reference Voltage used for voltage reading (2 bytes) 

Number of measurement readings being sent (1 byte) 

Measurement Readings (2 bytes) 

Checksum (1 byte) 

There is a large amount of information that is included in every message. An agreed format between 

the wireless sensor board and the Smart Phone is very important to ensure this process is successfully 

and efficiently completed. Each piece of information requires a different number of bytes and there 

may be a different number of measurement readings and calibration coefficients depending on the 

settings.  Other redundant information is included in every message such as a header and footer to 

allow the Smart Phone to determine the start and end of every message. The complete format of the 

message and the order in which the various bytes of information is sent is illustrated in Figure 22. 

 

 

 

 

 

 

 

 

The format version number indicates to the Smart Phone what version of software is being used on 

the sensor board. The version number informs the Smart Phone what the format of the rest of the 

message will be. This design consideration is for future needs when new information may be required 

to be sent to the Smart Phone from the wireless sensor board. The device identification number is a 

two byte number that is unique to each wireless sensor board. This allows particular pollution 

measurements to be associated with a particular unit and distinguished from other devices. Also, 

being able to identify a particular unit from its data readings is important if problems occur and 

specific units need to be isolated and recalibrated. Using a two byte number allows for over 65 000 

unique codes and thus over 65 000 units.  

The number of sensors on the unit is sent to the Smart Phone for administrative purposes only and 

informs the phone of how many sensors it needs to record measurements for. Only one byte is 

required as the sensor count will only be a single digit number ranging from one to five.  

Figure 22 ‐ Message Format for Bluetooth Communication [6] 

Page 23: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

21  

As discussed previously every gas sensor requires individual calibration and will have its own 

coefficients. As the microcontroller is not able to evaluate the quadratic equation the Smart Phone is 

required to calculate the corresponding pollution reading for a given voltage. This requires the 

wireless sensor board to send to the Smart Phone both the voltage readings and the sensors 

coefficients which are programmed into the microcontroller. The format of the equation that relates 

the voltage to air pollution will be in the form: 

 

The coefficient terms require floating point accuracy which is not achievable on the microcontroller. A 

new data format was designed which allowed for easy representation of the range of numbers that 

were likely to be dealt with. Each coefficient term required two bytes which were distributed as 

shown in Figure 23.  

 

 

 

 

The significand is represented by 12 bits and is a signed integer, allowing the representation of 

numbers from ‐2048 to +2048. The exponent is a 4 bit signed integer allowing the representation of 

numbers from ‐8 to +8. Overall this allows us to represent any integer number to four significant 

numbers in the range of:  

‐2048 x108 to 2048 x108 

For decimal numbers, this structure allows the representation of numbers as small as: 

1 x10‐8 

This structure for representing floating point numbers should be more than sufficient for the range of 

values required by the gas sensors calibration equations. This format allowed for air pollution 

readings accurate up to eight decimal places.  Each gas sensor requires its own calibration equation 

and Figure 24 demonstrates how they are represented in the overall message.  

 

   

Figure 23 ‐ Floating Point Format for Microcontroller [6] 

Figure 24 ‐ Coefficients Format for Transmitted Message [6] 

Page 24: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

22  

A reference voltage is required by the Smart Phone in order to determine the voltage that was 

measured for each sensor. The analogue to digital converter inside the microcontroller converts the 

voltage at an input pin into an eight bit number. This number can range from 0 to 255 with 255 equal 

to the reference voltage. Two bytes of data is enough information to represent this number in the 

same floating point format as the sensor coefficients.  

The measured voltage for each sensor only requires one byte of information and is a number ranging 

between 0 and 255. The resultant number after the analogue to digital conversion is simply a 

percentage of the reference voltage. Because so much administrative information is required to 

correctly calculate the air pollution reading and identify the device, sensor readings are sent in 

batches rather than a sensor reading per message. This makes the communication between the 

wireless sensor board and the Smart Phone far more efficient, saving both time and energy.  

The number of sensor readings sent per message will vary depending on the setting programmed into 

the microcontroller; the default value is ten readings and only requires one byte to inform the Smart 

Phone. After each sampling period their will be N new measurements, where N is the number of 

sensors on the wireless sensor board. The number of sample periods (T) between consecutive sending 

periods to the Smart Phone will determine how many sensor values will need to be sent. There will be 

a total of N*T number of sensor values to be sent.  Figure 25 shows how these values are structured 

with the sensor identification number before its value, to allow the Smart Phone to identify which gas 

sensor the sample has been taken from.     

For data verification a simple one byte checksum is added into the overall message. This checksum is 

the eight least significant bits from the summation of all bytes sent excluding the header and footer. 

Before sending the message this checksum is calculated and then added into the message. Once the 

Smart Phone has received the whole message, it performs the same checksum operation and 

compares its result with the sent checksum. If these are both equal it is assumed that no errors have 

occurred and the data is then extracted and used. If the checksums do not match, the data is 

disregarded and the Smart Phone will wait for the next transmission.  

The whole message structure and format has been carefully designed to minimise the need to 

restructure the entire message format if new or additional information is required to be sent to the 

Smart Phone. For specific parts of the message where particular information has varying lengths, 

extra information has been included to ensure that this can vary from sensor board to sensor board 

with no change to the software on the Smart Phone.  This added flexibility between differing sensor 

boards is critical for future expansion where there will be many different devices with differing sensor 

coefficients, device identifications and message format versions. 

   

Figure 25 ‐ Format of Sensor Values for Transmitted Message [6] 

Page 25: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

23  

3.9 Smart Phone Application  With an agreed message format between the wireless sensor board and the Smart Phone, packets of 

data can be transferred. Nikolaus Youdale wrote the application that runs on the Smart Phone which 

uses the Android 2.2 operating system. There are several parts of this application including: 

connecting with the wireless sensor board, receiving packets, processing data and uploading 

measurements to the server.  

The key requirement for the Smart Phone application when connecting to the wireless sensor board is 

the user interface. The application was designed to allow any new user to simply start the application 

and select which wireless sensor board they are using, without requiring any further user input. Figure 

26 shows the initial screen when the application is started. The user can either choose to select their 

unique device from a list of all devices or can perform a quick Bluetooth scan of all transmitting 

devices within range to discover their device.    

When a wireless sensor board is connected the application will continue to run, periodically receiving 

packets from the sensor board every 15 to 30 seconds. The Smart Phone application extracts all the 

information from the received packets based on the agreed message format between both devices. 

The application converts the measured voltage outputs from each sensor to an equivalent pollution 

reading according to the formulated calibration equation. During this process the Smart Phone 

retrieves its current physical location through the GPS unit. The application then constructs a new 

message which is uploaded to the server, which contains a database for all pollution measurements. 

This message consists of the various pollution readings, GPS location and the current time. The Smart 

Phone establishes a connection to the remote server through either a 3G connection or a wireless 

network and uploads the message. The application also displays the current pollution readings along 

with GPS co‐ordinates and time of sample on the phone’s display for the user’s interests as shown in 

Figure 27. 

 

   

Figure 26 ‐ Android Application ‐ Connection Screen [6] 

Figure 27 ‐ Android Application ‐ Display of Pollution Readings [6] 

Page 26: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

24  

4. Power Management 

4.1 Power Requirements  

Table 3 ‐ Requirements of Wireless Sensor Board 

 

As there are several different components that make up the wireless sensor board, careful 

consideration needs to be made in regard to the power requirements of the overall board. Each 

component requires a different amount of current at different voltages as documented in Table 3. 

Due to the nature of the metal oxide semiconductor sensors, they require a heater current of 

approximately 38mA in order to operate; this will be where most of the power will be used on the 

wireless sensor board. Each gas sensor has a different maximum voltage; exceeding this will cause 

overheating and destroy the inner circuitry of the sensor. These different voltage levels were achieved 

through a resistor network all fed from the same power supply.  

To conserve power in the Bluetooth module, the wireless sensor board does not transmit for the 

whole period of time while the device is switched on. The microcontroller will record up to 10 values, 

over a period of 30 seconds, before transmitting all values in one transmission. This conserves a 

considerable amount of power as large overheads are involved in sending a transmission. This 

technique allows the cost of the overheads to be shared with multiple samples rather than just a 

single sample. Using this technique it has been measured that the Bluetooth module is only 

transmitting data for 5% of the time. For the remaining amount of time the module will remain in a 

low power idle state.  

There are three status LED indicators on the wireless sensor board, to indicate the unit’s current 

status. The green LED indicator will flash to indicate power to the board and remains on for 

approximately 40% of the time. The blue LED indicator is only used for approximately 5% of the time 

whilst the Bluetooth is transmitting data. Lastly the red LED indicator will only be used to indicate the 

batteries are running low.  

The microcontroller is active for the whole time that the wireless sensor board is switched on. 

However, due to the low power nature of the chip, it only consumes a small amount of power while in 

operation. As calculated in Table 3 the wireless sensor board will consume on average a total of 

117.65mA.    

Component  Quantity  Supply Voltage 

Supply Current  Percentage of Usage Time 

Total Supply Current 

Carbon Monoxide Sensor  1  2.70V  38.1mA  100%  38.1mA 

Ozone Sensor  1  2.70V  38.2mA  100%  38.2mA 

Nitrogen Dioxide Sensor  1  1.90V  34.1mA  100%  34.1mA 

Microcontroller  1  5V  1mA  100%  1mA 

Green LED  1  2.7  6mA  40%  2.4mA 

Blue LED  1  2.7  6mA  5%  0.3mA 

Red LED  1  2.7  6mA  5%  0.3mA 

Bluetooth Module  1  3.3V 65mA (Sending) 100 μA (Idle) 

5%  3.25mA(Avg.) 

Total Current  117.65mA 

Page 27: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

25  

4.2 Batteries Once the power requirements for the wireless sensor had been calculated the next process involved 

selecting the appropriate batteries. Four main criteria were considered when comparing the various 

types and brands of batteries, including: 

Physical Dimensions 

Electrical Performance and duration 

Ability to recharge and reuse the batteries 

Cost 

The physical dimensions are of key importance as the wireless sensor board should be as compact and 

portable as possible. The physical dimensions of the battery will also have a large influence over the 

shape and size of the external casing of the device.  

The electrical performance of the batteries is also vital as this will determine how long the batteries 

will last and hence how long the wireless sensor board can be used for. The wireless sensor board 

should be able to last for a whole week (minium 14hours) without the batteries being recharged or 

replaced. This minimum requirement was realised by considering the targeted users of the wireless 

sensor board. A typical user should be one that experiences travel times of up to an hour per trip, 

twice a day. This ensures that large amounts of air pollution data are captured and recorded each 

usage. Furthermore it is very important to make sure that the batteries are able to supply enough 

voltage to power all the various components on the sensor board. 

It is also very important that the batteries used with the wireless sensor board are able to be 

recharged and reused multiple times. The batteries should be able to power the sensor board for a 

minimum of 14 hours. Based on predicted typical usage, the batteries will require charging every 

week and hence it is desired to be able to simply recharge the batteries instead of having to replace 

them.  

Lastly, the cost of the batteries must also be considered when comparing the various batteries. The 

wireless sensor board has been designed so that these devices can be produced at a reasonably low 

cost. Hence the cost of batteries needs to be carefully considered such that the cost of the total 

overall product remains relatively low.  

It is clearly demonstrated in Table 4 that there is a trade‐off between these four criteria and no one 

battery excels in all criteria. There is a significant difference in cost between alkaline batteries and 

nickel‐metal hydride (NiMH) Rechargeable batteries. However if alkaline batteries were to be used, 

they would have to be replaced on a regular basis and would incur a greater cost long term when 

compared with rechargeable batteries. There is a performance trade‐off between alkaline batteries 

and NiMH rechargeable, with alkaline batteries performing for a longer period of time with greater 

voltage. However this trade‐off is considered acceptable as the small amount of performance loss is 

worth the advantage of being able to recharge and reuse the same batteries.   

Lastly it can be noted that there is a considerable difference in the physical dimensions of the 

rectangular 9V batteries and the cylindrical AA batteries. The rectangular batteries are more compact 

and ideal for use with the wireless sensor board, however they have poor electrical performance. 

Using the 9V batteries in the wireless sensor boards would only achieve a few hours of operation 

between required charges, which is not desired.  

 

 

Page 28: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

26  

Table 4 ‐ Comparison of Standard Commercially Available Batteries

   

Size  Type  Brand  QuantitySupply Voltage (Volts) 

Milliamp Hours (mAh) 

Physical Dimensions 

Cost 

AAA  Alkaline  Duracell  4 1.5V each       6V total 

1200 14.5mm ‐ Diameter   50.5mm ‐ Height 

 $       6.99 

AAA  Alkaline  Energizer  4 1.5V each       6V total 

1200  

14.5mm ‐ Diameter   50.5mm ‐ Height 

 $       6.76 

                       

AAA Nickel‐Metal Hydride (NiMH) ‐ Rechargeable  

Duracell  4 1.2V each       4.8V total 

850 14.5mm ‐ Diameter   50.5mm ‐ Height 

 $    26.00 

AAA Nickel‐Metal Hydride (NiMH) ‐ Rechargeable  

Energizer  4 1.2V each       4.8V total 

850 14.5mm ‐ Diameter   50.5mm ‐ Height 

 $    25.82 

                       

AA  Alkaline  Energizer  4 1.5  each        6V total 

2700 14.5mm ‐ Diameter   50.5mm ‐ Height 

 $       7.45 

AA  Alkaline  Duracell  4 1.5  each        6V total 

2700 14.5mm ‐ Diameter   50.5mm ‐ Height 

 $       6.99 

                       

AA Nickel‐Metal Hydride (NiMH) ‐ Rechargeable  

Duracell  4 1.2V each       4.8V total 

2300 14.5mm ‐ Diameter   50.5mm ‐ Height 

 $    26.29 

AA Nickel‐Metal Hydride (NiMH) ‐ Rechargeable  

Energizer  4 1.2V each       4.8V total 

2450 14.5mm ‐ Diameter   50.5mm ‐ Height 

 $    23.50 

                       

9V  Alkaline  Duracell  1  9V  565 48.5mm ‐ Height     26.5mm ‐ Width      17.5mm ‐ Length 

 $       5.79 

9V  Alkaline  Energizer  1  9V  565 48.5mm ‐ Height     26.5mm ‐ Width      17.5mm ‐ Length 

 $       6.87 

                       

9V Nickel‐Metal Hydride (NiMH) ‐ Rechargeable  

Energizer  1  9V  175 48.5mm ‐ Height     26.5mm ‐ Width      17.5mm ‐ Length 

 $    22.88 

*All prices taken from http://www.homeshop.com.au/website/home.jsp and correct as of 26/10/2010 

Page 29: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

27  

The Energizer AA nickel‐metal hydride (NiMH) ‐ rechargeable batteries were chosen to be used with 

the wireless sensor board for numerous reasons. These batteries have good electrical performance, 

offering up to 2450mAh. With the wireless sensor board requiring on average 117.65mA, this equates 

to over 20 hours of continual operation between charges. This is greater than the minimum 

requirement of 14 hours of usage previously discussed. A single AA NiMH battery is 1.2 volts and 

hence 4 batteries are required to meet the minimum amount of supply voltage. The trade‐off with 

these batteries is that they are not as compact as the rectangular batteries. Four AA batteries 

connected in series will require a minium of 65mm x 55mm of free space which will influence the 

casing of the overall device. These batteries are more expensive than the other batteries listed in 

Table 4 however they will offer the greatest overall performance and hence are a long term cost 

saving.  

4.3 Battery Performance To test the performance of the Energizer AA nickel‐metal hydride (NiMH) – rechargeable batteries an 

experiment was conducted. This experiment was designed to measure and profile the supply voltage 

of the batteries throughout a whole cycle from a complete charge to a complete drain. The batteries 

were attached to a wireless sensor board to ensure an appropriate discharge rate modelling how they 

would be used in the final product. The wireless sensor board was also connected to a computer 

through the Bluetooth module to guarantee correct power usage for all components. The results are 

demonstrated in Figure 28 and Table 5. 

 

As illustrated in Figure 28, the voltage level of the batteries slowly drops 

off during the first 22 hours of operation. During this period the wireless 

sensor board was completely functional. Similar to all battery discharge 

curves there is a sudden exponential drop in supply voltage at a critical point. As can be seen in the 

above graph, the supply voltage dropped off suddenly at approximately 23 hours of operation and 

during this time, the Bluetooth stopped functioning and the wireless sensor board was inoperable. 

This experiment demonstrated the performance of the Energizer (NiMH) rechargeable batteries and 

assisted in determining when the low voltage alert should be activated.  

 

Table 5 ‐ Discharge Values for NiMH Rechargeable Batteries 

Figure 28 ‐ Discharge Curve for NiMH Rechargeable Batteries

Page 30: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

28  

The capacity loss over recharge cycles of rechargeable batteries also needs to be considered to 

evaluate their overall lifetime expectancy. The capacity of a battery is the number of milliamp hours 

(mAh) a battery can hold after a single charge. This is an important characteristic of any battery to 

ensure that the battery will last when undergoing constant charging and discharging. As shown in 

Figure 29 the capacity of a NiMH battery slowly deteriorates as the battery undergoes an increasing 

number of charging and discharging cycles. After approximately 300 complete cycles a single battery 

will have lost 10 to 15% of its original capacity.  The batteries total capacity will continue to reduce 

until the battery will be unable to sufficiently hold a reasonable amount of charge. If NiMH batteries 

were to be used with the wireless sensor board with average use of a complete recharge cycle per 

week, one set of batteries would last for over 500 weeks. This property of the Energizer AA (NiMH) 

rechargeable battery makes it a good power supply for the wireless sensor board.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

Figure 29 ‐ Capacity Deterioration of NiMH Rechargeable Batteries [23]  

Page 31: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

29  

4.4 Low Battery Detector For user awareness, a low battery detector has been incorporated into the wireless sensor board. The 

purpose of the low battery detector is to alert the user through a red solid LED when the batteries are 

low on charge and require charging. As seen from Figure 28, the NiMH batteries experience a slow 

discharge for a period of approximately 22 hours and then experience a quick sudden exponential 

discharge. It is critical that the user is alerted before this period so they have adequate time to 

recharge the batteries. The wireless sensor board becomes inoperable when the supply voltage falls 

below 3 volts, occurring after approximately 24 hours of operation. To give the user sufficient time to 

recharge the batteries, a low battery warning is given 4 hours before the device becomes inoperable, 

at the threshold voltage. From Figure 28 it can be seen that the threshold voltage is approximately 

4.20 volts after 20 hours of operation. 

Using the analogue to digital converter (ADC) inside the microcontroller the supply voltage is able to 

be monitored. The analogue to digital converter converts the voltage of the batteries into a digital 

value which can be compared to the threshold voltage. As shown in Figure 30 this is simply achieved 

by connecting a pin of the microcontroller containing the enabled ADC to the power supply. The 

microcontroller is powered by a voltage less than the voltage of the batteries through the use of the 

voltage regulator.  A resistor network is required to ensure that the voltage at the connection of the 

microcontroller is within the voltage range the microcontroller requires for the analogue to digital 

conversion. The threshold voltage level can be adjusted through the software in the microcontroller 

and is set to a default of 4.20 volts. When the supply voltage decays past the threshold the red LED is 

activated on the wireless sensor board for user awareness.  

Furthermore, as the supply voltage of the batteries is being constantly monitored, a real time battery 

status and percentage of charge can be displayed on the Smart Phone. This is achieved by 

transmitting the battery’s status to the user’s Smart Phone, where software on the Smart Phone 

interprets this and displays the status on the phone. When the threshold voltage or percentage is 

reached the phone will display an appropriate message alerting the user of the current battery status 

and requirement for charge.  

 

 

   

Figure 30 ‐ Low Battery Detector Circuit

Page 32: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

30  

5. Printed Circuit Board (PCB) Design   

Once all the components had been chosen and the final circuitry of the wireless sensor board 

realised, a printed circuit board was designed and then manufactured. This process involved several 

steps including designing the electrical circuit schematic, the printed circuit board layout and also the 

physical manufacturing of the board.  

5.1 Electrical Schematic Before the electrical schematic was created the final circuit was built and thoroughly tested using a 

demonstration board. This allowed every component to be tested individually for both voltage levels 

and drawn currents. Resistor values were also checked to ensure they provided the correct voltage 

drop throughout the circuit. Once the final circuit had been realised, the corresponding circuit was 

created in the schematic editor and various electrical tests were conducted. These tests checked for 

any short circuits, breaks in circuits and any incorrect pin matching. The final schematic can be seen in 

Figure 31. 

 

Figure 31 ‐ Wireless Sensor Board Electrical Schematic 

5.2 Printed Circuit Board Design and Regulations The next step in the PCB design process involved creating the footprints for each individual 

component. As most of the components that were being used were not standard components they 

had to be manually created. This is a critical step which involved precise detail in making sure the 

physical dimensions of the component matched the footprint exactly. If these dimensions were 

slightly off, the connection pins of the component would not fit in the holes on the printed circuit 

board. Furthermore, caution needed to be applied to ensure that each pin on the component 

footprint matched up with the correct pin on the component, such that all connections were made to 

the correct pin. 

With all the footprints created the next process involved converting the electrical schematic to a 

printed circuit board design. All the components had to be individually arranged on the PCB such that 

they did not interfere with one another and that none of the tracks connecting components together 

crossed. This was a complicated process as there were multiple tracks running in various directions 

around the board. Furthermore, from an electrical and manufacturing perspective the PCB had to 

comply with many other rules and regulations.   

Page 33: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

31  

 These regulations included: 

A minimum hole size of 0.7mm and a surrounding solder pad of at least 1.8mm. This was to 

ensure that an adequate amount of solder was applied to the pins to guarantee an electrical 

connection between the component pin and the electrical track. 

A minimum distance of 0.5mm between any two tracks. This constraint is for both 

manufacturing and electrical purposes. In manufacturing the circuit board, a non conductive 

groove surrounding the track is etched into the copper sheet. This groove breaks the electrical 

connection between a track and the rest of the board, effectively creating an isolated track 

between two holes. It also ensures that no electrical contact can be made with other tracks 

running in parallel. Due to manufacturing machinery this 

groove can be no smaller than 0.5mm. 

When routing tracks, acute angles as seen in Figure 32 Part 1 

should be avoided, as the tight corners can accumulate the 

copper residual after it has been etched, bridging an electrical 

connection with the copper sheet. 

When a track has to be placed between two pads, the track 

should be routed such that there is even space between both 

holes and the track. This is demonstrated in Figure 32 Part 2. 

Tracks should pass through the centre of a pad to ensure that 

the solder completes a full electrical connection with the 

track, as shown in Figure 32 Part 3.     

The track should be such a size that it is considerably smaller 

than the diameter of the solder pad. If this is not adhered to, 

solder can run onto the track and may spill into the groove, 

compromising the tracks isolation from the copper sheet. The 

correct track size to pad diameter is illustrated in Figure 32 

Part 4. 

Other important design practices that were used include using round solder pads instead of square 

solder pads in areas where several pads were close together. With round circular pads the distance 

between pads is minimal, ensuring that when soldering, no solder leaks onto neighbouring pads, 

bridging an electrical connection between two component pins. However rectangular or square solder 

pads were used for specific components when large amounts of solder were required for large 

component pins. Rectangular solder pads maximise the surface area of the solder pad to improve the 

quality of the electrical connection.   

For the wireless sensor board only a single layer board was required as the design wasn’t too complex 

and had a minimal number of components. Using only a single layer printed circuit board reduced the 

required manufacturing time as the board did not need to be rotated and could all be etched in one 

configuration. The microcontroller was placed at the centre of the board as all other components 

made at least one connection with the microcontroller. This simplified the design significantly and 

made routing the tracks considerably easier. Furthermore, a 20 pin dip socket was soldered to the 

board instead of the microcontroller, limiting the risk of damage to the internal circuitry of the 

microcontroller during the soldering process. The three gas sensors were placed together as they all 

involved similar circuitry and the one power supply could be shared between them.  

Figure 32 ‐ Track Routing Rules and Regulations [22] 

Page 34: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

32  

The final printed circuit board design can be seen in Figure 33 and Figure 34 along with the actual 

manufactured board in Figure 35. 

 

 

Figure 33 ‐ Wireless Sensor Board Printed Circuit Board Design with Track Routings 

Figure 35 ‐ Wireless Sensor Board Prototype Figure 34 ‐ Wireless Sensor Board PCB  

Page 35: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

33  

5.3 External Casing and Mounting  The external casing of the wireless sensor board 

plays an important role in the overall protection 

and endurance of each unit. The external casing 

needs to be designed to allow the gas sensors to 

be exposed to the outside air but must also be 

waterproof to ensure the electrical circuit and 

sensors are not damaged or destroyed. A plastic 

casing was used to house the wireless sensor 

board and provided a cheap and easy solution to 

this problem. The plastic casing used, seen in 

Figure 36, was chosen due to its compact size and 

ability to fit both the batteries and the sensor 

board inside. This plastic casing also allowed the 

user to simply open and close the casing to turn 

the sensor board on or off with the switch. Several 

holes were drilled through the outside of the 

casing to allow the gas sensors to be exposed to 

the outside air. This casing is unfortunately not 

waterproof at the moment, limiting the use of the 

wireless sensor board to dry conditions only.    

A two part locking mechanism was then attached 

to the outside of the casing to allow the user to quickly mount the sensor board on a vehicle. One part 

of the locking mechanism remained permanently attached to the casing of the sensor board, whilst 

the other half of the locking mechanism remained attached to the external of the motor vehicle. This 

locking system allowed the wireless sensor board to be easily mounted and released from the car. 

Figure 37 shows the wireless sensor board mounted securely to the outside of a car.  

Figure 36 ‐ Wireless Sensor Board in External Casing

Figure 37 ‐ Example of Mounting the Wireless Sensor Board 

Page 36: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

34  

5.4 Bill of Materials Table 6 ‐ Bill of Materials for Wireless Sensor Board 

Bill Of Materials 

Component  Model Required 

Number Supplier 

Price Per 

Component 

Total Price Per 

Unit 

Bluetooth  ADEUNIS ‐ ARF7044A  1  Farnell.au  $51.46  $51.46 

CO ‐ Sensor  MICS ‐ 5521  1  e2V  $24.65  $24.65 

NO2 ‐ Sensor  MICS ‐ 2710  1  e2V  $24.65  $24.65 

O3 Sensor  MICS ‐ 2610  1  e2V  $25.35  $25.35 

Microcontroller  PIC16f690  1  School Workshop $3.00  $3.00 

20pin DIP Socket  MILL MAX ‐ 20WAY  1  Farnell.au  $1.91  $1.91 

Triple LED  YSL‐R596CR3G4B5C‐C10  1  Sparkfun  $1.90  $1.90 

Rocker Switch  SCHURTER ‐ 1301.9206  1  Farnell.au  $1.40  $1.40 

Header Pins  PRT‐00116  9  Sparkfun  $0.06  $0.56 

Voltage Regulator  LD1117V33  1  Sparkfun  $1.95  $1.95 

Batteries Energizer Rechargeable  

AA 4  Woolworths  $5.88  $23.50 

Battery Holder  PH9282  1  Jaycar  $2.95  $2.95 

PCB Manufacturing  75 Holes  1  $2.75  $2.75 

Casing  

1  TEK's  $2.50  $2.50 

Resistors  

11  School Workshop $0.01  $0.11 

      Total Price Per Unit  $168.65

 

A complete list of all the component information (costs, suppliers, model numbers and quantities) 

required to make the wireless sensor board is shown in Table 6. A complete device can be made for 

just over $168. A large amount of the cost is the wireless sensors and the Bluetooth module, where 

the cost is heavily dependant on the quantity of order. If large scale production (approximately 100 

units) was to occur, the cost of several components would significantly reduce and a total wireless 

sensor board unit could be produced for less than $150.   

Page 37: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

35  

6. Experimentation and Results  After a complete and working wireless sensor board unit was built, several experiments and tests 

were conducted. These tests were designed to measure the performance of the wireless sensor board 

and also to ensure that this part of the Haze Watch project functioned well with other stages of the 

overall project.  

6.1 Experiment 1 In the first experiment the wireless sensor board was attached externally to a car along with the 

commercially available GasAlertMicro 5 air monitor as seen in Figure 38 and Figure 39. The car was 

then driven from Mosman across Sydney to Menai. This trip involved several lengthy tunnels where 

air pollution was expected to be higher than the average recommended exposure set out by the 

Department of Environment, Climate Change and Water (DECCW). This particular route was also 

chosen as it came within close proximity of several of the government fixed air monitoring sites 

around Sydney. This allowed us to compare the measurements taken by both the wireless sensor 

board and the GasAlertMicro 5 with our estimation based on the results from these fixed monitoring 

sites. 

There were two main objectives of this experiment. The first objective was to check that the wireless 

sensor board produced similar air pollution readings as the commercial GasAlertMicro 5 device. The 

second main objective was to demonstrate that air pollution can vary significantly between small 

changes in location, which is not represented in the estimations made from the fixed air monitoring 

sites alone.  During this experiment both carbon monoxide and nitrogen dioxide were measured every 

second by both devices. This driving test was conducted on the 28th August 2010 and started at 

approximately 1.54pm and ended at 2.37pm. The exact route was recorded with a GPS track stick and 

can be seen in Figure 40. This trip passed through Sydney Harbour Tunnel, Domain Tunnel, Eastern 

Distributor, Cleveland Street underpass, Airport Tunnel, Cooks River Tunnel and the M5 South West 

Motorway Tunnel. Also shown on the map in Figure 40 are red markers. These indicate the location of 

the various fixed air monitoring sites monitored by the DECCW. 

 

 

Figure 39 ‐ Haze Watch and GasAlertMicro 5 Devices externally attached to motor vehicle 

Figure 38 ‐ Close up of the Mounting of Haze Watch and GasAlertMicro 5 Devices 

Page 38: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

36  

Figure 41 is a graph of the recorded carbon monoxide readings from both the wireless sensor board 

and the GasAlertMicro 5 device. The red line is the output voltage recorded from the carbon 

monoxide sensor on the wireless sensor board. The blue line is the recorded samples from the 

GasAlertMicro 5 and is a direct measure of the carbon monoxide concentration in parts per million 

(ppm). Figure 42 is a similar plot for nitrogen dioxide taken at the same time and location as the 

carbon monoxide samples. As can be seen by both these figures there is a clear correlation between 

the voltage output of the gas sensors on the wireless sensor board and the pollution readings taken 

from the commercially made air monitor, the GasAlertMicro 5. These graphs also show the ability of 

the wireless sensor board to take many samples in short periods of time to ensure no critical data is 

missed between sample points. As illustrated in the graph, there are large variations in the voltage 

readings within small periods of time. The ability to take many samples in a short period of time is a 

key requirement of the wireless sensor board as air pollution in real environments can vary 

significantly over small distances. It is important that all fluctuations in pollution readings are 

recorded to ensure a true representation of the pollution can be shown.   

 

Figure 40 ‐ GPS Route Taken for Experiment 1 

Page 39: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

37  

 

 

Figure 41 ‐ Plot of Carbon Monoxide Samples from Wireless Sensor Board and GasAlertMicro 5 Device 

Figure 42 ‐ Plot of Nitrogen Dioxide Samples from Wireless Sensor Board and GasAlertMicro 5 Device 

Page 40: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

38  

Using the calibration equations that had been predetermined for these exact sensors, the voltage 

measurements taken from the sensor outputs could then be converted into equivalent pollution 

readings. For this particular wireless sensor board the calibration equations for both carbon monoxide 

and nitrogen dioxide are: 

. . .  

. . .   

The equivalent carbon monoxide and nitrogen dioxide concentration levels from the wireless sensor 

board are plotted in Figure 43 and Figure 44 respectively. The orange plot is from the wireless sensor 

board and the blue plot was the air pollution reading taken by the GasAlertMicro 5 device. The green 

plot is the Government data estimation (ppm).  

 

 

 

 

 

 

Figure 43 ‐ Plot of Carbon Monoxide Samples from Wireless Sensor Board and GasAlertMicro 5 Device 

Page 41: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

39  

Figure 43 demonstrates the accuracy of the wireless sensor board in measuring carbon monoxide. The 

pollution readings from the wireless sensor board are a very close approximation to the recordings 

taken from the commercially available air monitor. However the gas sensors on the sensor board 

became inaccurate when exposed to large concentrations of air pollution as shown in Figure 43, when 

the sensor board travelled through the M5 Tunnel. The sensor board gave readings that were greater 

than what the commercially available device recorded. This is because the calibration equations for 

the gas sensors are in a quadratic form, which do not exactly match the response of the gas sensors. 

However this problem is only evident at large concentrations which aren’t expected to experienced 

regularly.  

There is discrepancy in Figure 44 between the pollution measurements from the sensor board and the 

GasAlertMicro 5 device. The two plots do not follow each other as closely as the carbon monoxide 

graph, mainly due to the lack of sensitivity in the GasAlertMicro 5 device. This device is only able to 

measure nitrogen dioxide to an accuracy of 1 part per billion and often requires a minimum 

concentration of 2 parts per billion before a reading is registered. This is shown in Figure 44 with the 

GasAlertMicro 5 device recording a nitrogen dioxide concentration of zero for most of the 

experiment.   

The green plots in both of these figures are an estimated concentration level for the given experiment 

GPS route. The estimation is based only on the pollution readings from the fixed air monitoring sites 

around Sydney, maintained by the DECCW. A pollution reading is determined for a specific location 

based on two characteristics: the distance between the specific location and the fixed air monitoring 

sites and secondly the time at which the sample was taken at the fixed air monitoring site [5]. The 

recordings taken by the fixed air monitoring sites are only updated every hour. This means the 

DECWW predictions are only based on one set of pollution measurements from all of the fixed sites.   

 

Figure 44 ‐ Plot of Nitrogen Dioxide Samples from Wireless Sensor Board and GasAlertMicro 5 Device 

Page 42: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

40  

Figure 43 and Figure 44 both demonstrate an important issue with current air pollution monitoring 

systems in Sydney. The fixed air monitoring sites located around Sydney are far apart and unable to 

correctly determine a pollution level for locations in between. From both the wireless sensor board 

and the GasAlertMicro 5 plots in Figure 43 and Figure 44, it can be shown that the air pollution varies 

significantly over small changes in location. Therefore, using only the fixed air monitoring sites to 

estimate a pollution reading for locations in between is unreliable and inaccurate. The other smaller 

peaks in Figure 43 are when the car had stopped at busy intersections along the route; this shows that 

air pollution varies significantly around busy suburban areas. It is these areas which are of most 

interest as they are highly populated areas and the air quality cannot be correctly modelled by data 

from the fixed air monitoring sites alone.   

Furthermore, as can be seen clearly in Figure 43 there is considerable difference between the 

pollution measurements taken by both mobile devices and the readings from the fixed air monitoring 

sites. The estimation for carbon monoxide based on only the fixed air monitoring sites ranged 

between 0.21 and 0.25 ppm, while the pollution levels from the mobile devices vary from 0 to 80ppm. 

The fixed air monitoring sites are located in suburban areas away from major roads. This results in the 

fixed air monitoring sites not recording air pollution concentrations commonly experienced by a 

regular commuter. These figures are further evidence that a more detailed air monitoring system is 

required to produce an accurate model of air pollution.  

   

Page 43: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

41  

6.2 Experiment 2 The second experiment that was conducted using the wireless sensor board was a complete test of 

the Haze Watch system. Firstly this involved testing if the wireless sensor board worked with the 

Smart Phone to upload pollution samples in real time. Secondly this experiment aimed to test 

whether the server could handle data continually being uploaded in real time. Thirdly this experiment 

tested if the air pollution model would work correctly for large amounts of sample points, to correctly 

model the air pollution. Lastly the iPhone application created by Nikolaus Youdale to estimate an 

individual’s personal exposure was also tested throughout this experiment. The iPhone application 

would allow any individual who had an iPhone to record their GPS trace over a particular period such 

as a car trip, a certain event or a whole day. With this GPS trace the individual’s exposure to air 

pollution for their whole trip can be estimated from data calculated by the air pollution model[6].  

This experiment was also designed to further evaluate the effectiveness of more sample points in the 

air pollution model compared to just using the fixed air monitoring sites in determining a pollution 

estimate for an exact location.    

This experiment involved driving with the sensor around a large loop of Sydney starting at the 

University of New South Wales to collect air pollution samples. The loop then continued on the M5 

South West Motorway towards Roselands, through Homebush and Ryde, past Chatswood and then 

on the Warringah Freeway through the Sydney Harbour Tunnel and Eastern Distributor Tunnel back 

to the University of New South Wales as shown in Figure 45. This route was chosen specifically to 

encircle as many of the fixed air monitoring sites as possible. As can be seen by the red markers in 

Figure 45, choosing this route allowed our air pollution model to use five of the fixed air monitoring 

sites for the pollution estimation. This allowed comparison of the air pollution recorded by the 

wireless sensor board and the estimation based on only these fixed air monitoring sites.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 45 ‐ Map of Driving Route for Experiment 2 

Page 44: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

42  

This experiment was conducted in two sessions with two cars taking the same route as shown in 

Figure 45 half an hour apart starting at 1.45pm on the 7th October 2010. The first car had a wireless 

sensor board mounted outside the car. The wireless sensor board was connected to the Smart Phone 

running the Android application inside the car. The Smart Phone received readings and global position 

system (GPS) coordinates from the sensor board and uploaded them to the database contained on 

the server in real time.    

The second vehicle left half an hour later. It took the same route and had an iPhone running the 

personal air pollution exposure application as well as the commercially available air monitor, the 

GasAlertMicro 5 device recording pollution levels. The second car was used to evaluate the accuracy 

of the iPhone application by comparing the estimated air pollution exposure calculated by the iPhone 

application with the samples recorded by the GasAlertMicro 5. Measurements taken by the 

GasAlertMicro 5 represented the individual’s real exposure during the experiment. The second car did 

not have a wireless sensor board and did not upload any data to the server throughout the 

experiment.   

 The iPhone application computed the pollution exposure for the experiment route twice. The first 

exposure estimation was based only on measurements from the fixed air monitoring sites maintained 

by the DECCW. The second exposure estimation was calculated with all the data which the wireless 

sensor board collected in the first vehicle and also the data from the fixed air monitoring sites. These 

two exposure estimations were then compared to the recordings taken by the GasAlertMicro 5, to see 

which method gave a closer approximation to an individual’s true pollution exposure. The objective of 

this experiment was to determine how effective more sample points of air pollution taken by a device 

such as the wireless sensor board have on an air pollution model.  

 The wireless sensor board in the first car was taking measurements for both carbon monoxide and 

nitrogen dioxide. Figure 46 is a plot of the carbon monoxide samples in parts per million (ppm) taken 

for the whole route that were uploaded directly to the server by the Android application running on 

the Smart Phone.  

 Figure 46 ‐ Carbon Monoxide Recordings from Wireless Sensor Board during Experiment 2

Page 45: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

43  

As can be seen in Figure 46, large concentration levels were recorded at specific locations along the 

route, in particular in the tunnels and at major intersections. These readings were uploaded directly 

to the server which allowed them to be plotted on a map as seen in Figure 47, which overlays 

different colours depending on the amount of carbon monoxide. The green markers are the exact 

geographical location of every sample that was uploaded to the server. The red marker indicates 

where the largest recording was taken and the blue marker is where the smallest reading was 

recorded. The coloured overlay scale ranges from blue (low pollution) to green (medium pollution), 

then yellow (high pollution) to red (extreme pollution). As can be seen in Figure 47, various areas are 

different colours indicating the significant change in air pollution over geographical locations. The 

yellow and red regions on the map in Figure 47 coincide with the peaks on the graph in Figure 46, 

which are the major roads, tunnels and intersections.      

The map in Figure 47 also represents the complete Haze Watch system fully functioning. Pollution 

samples were correctly taken by the mobile sensor, measurements were uploaded in real time via the 

3G network and were correctly stored on the database for visualisation maps to use. The Smart Phone 

was easily interfaced with the wireless sensor board which ran continuously without any further user 

input for the entire experiment. The Smart Phone correctly extracted the voltage readings from the 

messages sent by the sensor board and converted these into equivalent pollution readings. The Smart 

Phone then recorded the GPS location and uploaded the samples to the server. The database 

functioned flawlessly in receiving multiple pollution readings continuously for over one and a half 

hours. The visualisation maps were able to convert these pollution readings into an appropriate 

overlay colour and display them on Google maps.   

   

Figure 47 ‐ Carbon Monoxide Readings Plotted on a Visualisation Map [5] 

Page 46: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

44  

The second part of this experiment was to test the iPhone application and effectiveness of more data 

samples when calculating an estimated pollution reading using the air pollution model. The iPhone 

application produced two personal exposure readings for the same route which are shown in Figure 

48. The green plot in Figure 48 is the first exposure calculated by the iPhone application based on 

fixed air monitoring sites only. The orange plot in Figure 48 was the second exposure estimation 

based on all measurements including samples taken by the wireless sensor board. The blue plot in 

Figure 48 is the measurements taken by the commercially available GasAlertMicro 5.   

As shown in Figure 48 there is a considerable difference in the estimation by the iPhone application 

when differing input data is used. When only the fixed air monitoring sites are used a slow varying 

estimation of exposure is produced. This is mainly due to two reasons. Firstly the fixed air monitoring 

sites are only updated every hour and secondly the location of the fixed sites are in suburban areas 

which have low air pollution concentrations. This has a significant impact on the accuracy of the 

estimation of an individual’s personal exposure. Without the ability of the fixed air monitoring sites to 

identify specific areas which have high levels of air pollution, an individual’s true air pollution 

exposure can not be estimated with any accuracy or reliability. 

The orange plot in Figure 48 is a much closer approximation to an individual’s true air pollution 

exposure compared to the exposure calculated with only the fixed air monitoring sites. This 

demonstrates the need for more data samples required by the air pollution model to accurately 

represent realistic air pollution concentrations. The orange plot is much closer to the individual’s true 

exposure due to several reasons. Firstly far more data samples (over 50) were used in computing the 

orange estimation compared to only the 5 used for the green estimation. Secondly these data 

samples were taken from a wider range of locations, including areas of high concentrations. Most of 

the samples that were used for the orange estimation were taken by the wireless sensor board while 

on a busy road, intersection or in a tunnel. This gives a more realistic representation of a commuter’s 

exposure as individuals would also be exposed to these high concentrations. With the air pollution 

model using the samples taken from the wireless sensor board the various fluctuations in the 

individual’s exposure is better represented.   

Figure 48 ‐ Comparison of Carbon Monoxide Estimations from Experiment 2 

Page 47: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

45  

The discrepancy between the orange plot and the blue plot in Figure 48 can also be explained. The 

individual’s true exposure was represented by the measurements the GasAlertMicro 5 device 

recorded throughout the route. This commercially available device is not as sensitive compared to the 

wireless sensor board to low concentrations and only registers readings for concentrations above 

5ppm. This is evident as for most of the route the GasAlertMicro 5 device recorded a zero 

concentration reading. Furthermore due to the fundamental problem of GPS not working inside 

tunnels, the samples that the wireless sensor board recorded inside the tunnels are recorded as 

readings at the last known GPS location which is at the beginning of the tunnel. This explains the 

difference in time between the peaks in Figure 48 at 2.09pm for the iPhone application estimation 

and at 2.15pm for the true exposure. When the iPhone application requests an air pollution 

estimation at the location just before the tunnel, the air pollution model uses the high concentration 

samples that the wireless sample board recorded inside the tunnel. This results in the iPhone 

application producing peaks prematurely compared to the true exposure measurements.    

The comparison between Figure 47 and Figure 49 further illustrate the need for the wireless sensor 

board in improving the representation of air pollution in visualisation maps. Figure 47 uses all the data 

collected from the wireless sensor board and the fixed air monitoring sites to determine the overlay 

for the visualisation map. Figure 49 is a visualisation map that was determined only using the fixed air 

monitoring sites. There is significant difference in the detail between the two figures, with specific 

regions of high concentration only identified when the wireless sensor was used. When only the fixed 

air monitoring sites were used, the complete overlay is roughly the same value everywhere, indicating 

a constant air pollution level for all of Sydney. As both experiment 1 and experiment 2 have clearly 

shown this is incorrect and air pollution can vary significantly in different locations around Sydney.   

 

   

Figure 49 ‐ Visualisation Map of Experiment 2 with only Fixed Air Monitoring Sites [5] 

Page 48: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

46  

7. Discussion As a result of the previous experiments a lot of information can be taken from the Haze Watch project 

and in particular the need for a device such as the wireless sensor board. From the first experiment it 

was evident that the wireless sensor board can measure both carbon monoxide and nitrogen dioxide 

levels with enough detail to be able to identify areas of high air pollution. From this experiment it was 

also very clear that there is a major problem with the current air monitoring system in use in Sydney. 

The 14 fixed air monitoring sites around Sydney are too far apart, resulting in lack of data required to 

accurately calculate the level of air pollution between locations.  

Experiment 1 showed that the location of these fixed sites is also a major concern. These sites are 

located in suburban areas away from any main roads or intersections and as a result rarely record 

high pollution readings. This means that the estimation for the air pollution around any main road or 

intersection is significantly less than the true pollution concentration.  The results of experiment 1 

demonstrated that the air pollution around major tunnels, roads and intersections is significantly 

greater than suburban areas. Furthermore these results also illustrated the need for a more detailed 

air monitoring system to truly represent these large changes in air pollution between small changes in 

location.  

Experiment 2 demonstrated the functioning of the complete Haze Watch system from the mobile 

wireless sensor, to the Smart Phone uploading samples in real time, to the visualisation maps 

correctly and quickly turning these samples into easily interpreted and understood overlays for 

Google Maps. Experiment 2 showed how the iPhone application can give an estimated personal 

exposure reading from just a GPS trace. Through this application the need for a more detailed air 

monitoring system was realised. The exposure calculations created by the iPhone application varied 

significantly when only the fixed air monitoring sites were used compared to when samples from the 

wireless sensor board were also used. When the data from the wireless sensor board was also used in 

the exposure calculations, the iPhone personal exposure estimation was a much closer representation 

of the individual’s true pollution exposure as determined by a commercial air monitoring device.   

As can be easily seen from Figure 50, there is a significant difference in the output of the air pollution 

model when samples from the wireless sensor board are also used. Map 1 in Figure 50 is the output 

of the air pollution model when only the readings from the fixed air monitoring sites are used. Map 2 

is the output of the air pollution model when over 50 samples from the wireless senor board around 

Sydney were also used.  

Figure 50 ‐ Comparison of Visualisation Maps: (1) With only Fixed Site samples and (2) Samples from the Wireless Sensor Board (2) [5]

Page 49: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

47  

From all of the results in both experiments the need for a more detailed air monitoring system such as 

Haze Watch can be seen clearly. Having mobile sensors collecting far more samples than just the fixed 

air monitoring sites maintained by the government brings huge benefits. With more pollution 

readings taken in more locations, a more realistic representation of air pollution can be modelled. Air 

pollution varies considerably in different locations and a more detailed monitoring system is required 

to correctly model air pollution. With a more accurate air pollution model, applications such as the 

iPhone personal pollution exposure application will produce more reliable results, closer to the 

individual’s true air pollution exposure. Furthermore the visualisation maps are more useful and 

accurate with more data samples in more locations. It can be concluded that there is real need for a 

device such as the wireless sensor board.  

   

Page 50: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

48  

8. Future Developments The Haze Watch project is only in its initial stages. There is still far more research to be done and 

developments made to expand this project. In particular there are many aspects of the wireless 

sensor board that could be improved to further improve the overall performance of the device: 

The accuracy of the gas sensors 

The calibration methods for the gas sensors 

Adding different gas sensors to the wireless sensor board 

Battery performance 

The external casing of the wireless sensor board 

Easy mounting system for attaching to cars 

The best position to mount the wireless sensor board 

Reducing the overall costs to produce a complete unit 

Effects of temperature and speed on pollution readings 

Creating a complete stand alone wireless sensor phone independent of Smart Phones 

There were a range of different sensing technologies that could have been used for the wireless 

sensor board, as discussed earlier in the design overview section (page 14). The current wireless 

sensor board design uses metal oxide semiconductor gas sensors as they are small, cheaper and 

easier to use than electrochemical sensors. However electrochemical sensors are far more accurate 

and are the most popular sensing technology used in commercial devices such as the GasAlertMicro 5. 

Before the Haze Watch project is to expand with more mobile sensor devices it would be strongly 

recommended to further investigate the trade‐off between accuracy and cost between the two 

sensor technologies. Furthermore it would also be recommended investigating if a system which had 

lower quality sensors but more devices is more beneficial than having fewer mobile sensors which are 

more accurate.  

The calibration of the gas sensors poses the greatest challenge for the long term outcome of the 

wireless sensor board. The current calibration techniques used for calibrating the sensors on each unit 

are not completely accurate and are the main cause of incorrect pollution readings throughout the 

conducted experiments. As discovered in experiment 1, due to the calibration equations not correctly 

representing the response of the sensors, exaggerations of air pollution concentrations were 

occurring at high concentrations. If significantly more sensor boards were to be produced it would be 

recommended to invest in a commercially used calibration machine. A calibration machine offers a 

more controlled and accurate recording of air pollution concentrations. This would offer a far more 

accurate method for calibrating the gas sensors. Furthermore another challenge faced by the Haze 

Watch project is the constant need for recalibration of gas sensors. Unfortunately due to the nature 

of the components, gas sensors change over time, resulting in sensors requiring recalibration every 

few months.  

Currently the wireless sensor board only has three gas sensors incorporated into its design: carbon 

monoxide, nitrogen dioxide and ozone. For a complete air monitoring system to be useful other 

important toxic pollutants would also have to be monitored. This would include sulphur dioxide and 

particulate matter, one of the more dangerous air pollutants. Currently the sensing technology for 

these pollutants is not advanced enough for sensors of these pollutants to be placed on the wireless 

sensor board. However once a sensor able to measure these pollutants and suitable for use on the 

wireless sensor board is produced, it would not require too much redesigning of the sensor board to 

incorporate these sensors.    

Page 51: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

49  

Currently the wireless sensor is only able to last just over 20 hours under constant operation on a 

single battery charge. This does equate to over a full weeks worth of operating at the average usage 

specifications. However the process of having to recharge the batteries at the end of every week is 

very inconvenient for the end user. If the wireless sensor was to further develop, more research and 

experimentation would have to be undertaken on increasing the battery performance. Incorporating 

a rechargeable circuit into the wireless sensor board could also be investigated. This would minimise 

the inconvenience placed on the user by having to remove the batteries in order to charge them. 

Future designs of the wireless sensor board could also explore the possibility of hard wiring the power 

supply of the sensor board into the car’s electronics, such that no batteries are required.   

The external casing of the wireless sensor board plays an important role in the overall protection and 

endurance of each unit. The external casing needs to be designed to allow the gas sensors to be 

exposed to the outside air whilst making sure it is also waterproof to ensure the electrical circuit or 

sensors are not damaged or destroyed. Design of the external casing faces the difficult challenge of 

allowing air to flow through without letting water in. Currently the wireless sensor board’s external 

casing is not waterproof, limiting the use of the sensor board to only dry conditions. Before any 

further devices are to be made considerable time should be spent in specially designing and 

manufacturing external cases.  

Incorporated into the external case design could be a simple mounting system that could be used to 

easily attach the wireless sensor board onto the exterior of a car. With an easy and quick attachment 

mechanism user inconvenience would be minimised.  

Another important issue that needs to be explored is the ideal location on a motor vehicle for the 

wireless sensor to be located. The mounting position of the sensor board can have a significant 

impact on the measurements that are recorded. If the device is located too close to road, the sensor 

board would be exposed directly to the fumes from other vehicles, resulting in biased and unrealistic 

measurements.  

To improve the overall accuracy and quality of the measurements that the wireless sensor board 

produces, all of the variables that can affect the air pollution readings need to be accounted for. With 

a mobile air pollution device, both the outside temperature and speed of the vehicle need to be taken 

into consideration. These issues require large amounts of research to calculate the direct correlation 

between these variables and final results. The calibration equations would have to be reformulated to 

account for these variables. A temperature and humidity sensor could be easily incorporated into the 

wireless sensor board with small and compact modules currently commercially available. The speed of 

the car could be easily determined through calculations involving the difference in consecutive GPS 

locations.  

Finally the long term aims of the Haze Watch project are to have the sensor board devices deployed 

on vehicles on the road for large periods of time. Ideally the sensor board would be attached to 

vehicles such as buses or taxis that cover large amounts of geographical areas over long periods of 

time. However in order for this to occur a new version of the wireless sensor board would have to be 

created. A complete stand alone unit would need to be designed that requires no user input or 

configuration in order to function. This involves the design of the wireless sensor board 2, which is 

completely independent of the Smart Phone. Without the Smart Phone the wireless sensor board 2 

would have to have its own GPS module to determine its location, a 3G or GSM module to upload 

samples in real time, a more complex and powerful microprocessor that would be able to process all 

this information and finally a hard wired power supply. The wireless sensor board 2 requires 

significant developments from the wireless sensor board but should be able to be technically 

achievable with current technology but with increased cost.   

Page 52: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

50  

9. Conclusions  

The presence of high air pollution which may impose serious risks on humans and on our environment 

has been demonstrated throughout this report. It has been mentioned that there are 5 main air 

pollutants that need to be monitored in order to obtain a realistic understanding of the dangers that 

air pollution could cause. Several benefits from having a greater resolution of air pollution data have 

been discussed including the several applications that may arise from such improvements.  

This report has introduced the Haze Watch project and shown how it can significantly improve 

Sydney’s air pollution monitoring system. Through the use of a network of mobile air pollution 

sensors, database for all pollution samples, visualisation maps and an iPhone application it is believed 

that the awareness of the risks and dangers about air pollution will be increased. With increased 

awareness about air pollution in the public, improvements in the health of societies and 

environments is expected.  

The focus of this report was the fundamental problem with current air pollution monitoring systems 

and the design of a mobile wireless sensor board. The design of the wireless sensor board was 

thoroughly explained and every design decision justified. The various gas sensing technologies, 

wireless communications, central processing units and power management were all critically 

analysed. Several experiments were conducted using the wireless sensor board demonstrating the 

need for a more detailed air monitoring system. The results of these experiments showed that air 

pollution does vary significantly in different locations and can not be accurately or reliably estimated 

using only the fixed air monitoring sites currently in use. The effectiveness of the wireless sensor 

board in measuring various air pollutants and uploading samples to the server in real time via a Smart 

Phone was shown. Furthermore the benefits of using the wireless sensor board for applications such 

as the personal pollution exposure iPhone application and visualisation maps were realised.  

This report and the current work undertaken by the Haze Watch project have formed the basis for a 

mobile sensing system. The wireless sensor boards can be easily adapted to integrate most forms of 

sensors including humidity, temperature, speed and moisture sensors to build a dense monitoring 

system for various applications. With the current air pollution sensors integrated into the wireless 

sensor board a more detailed and accurate representation of air pollution can be modelled. Through 

this significant advancement in air pollution monitoring the general health and safety of humans and 

surrounding environments can be improved.  

 

   

Page 53: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

51  

10. Bibliography  

[1]  New South Wales Government. (2010, Jan.) New South Wales Government ‐ Health. [Online]. 

http://www.health.nsw.gov.au/PublicHealth/environment/air/air_pollution.asp 

[2]  World Health Organisation. (2006) World Health Organisation . [Online]. 

http://whqlibdoc.who.int/hq/2006/WHO_SDE_PHE_OEH_06.02_eng.pdf 

[3]  State Government of New South Wales. (2010, Apr.) Environment, Climate Change and Water. 

[Online]. http://www.environment.nsw.gov.au/air/ 

[4]  State Government of Victoria. (2008, Nov.) Better Health Channel. [Online]. 

http://www.betterhealth.vic.gov.au/bhcv2/bhcpdf.nsf/ByPDF/Pollution_air/$File/Pollution_air.pdf

[5]  A. Chow, "Haze Watch: Data Modelling and Visualisation using Google Maps," University of New 

South Wales Undergraduate Thesis, Oct. 2010. 

[6]  N. Youdale, "Haze Watch: Database Server and Mobile Applications for Measuring and Evaluating 

Air Pollution Exposure," University of New South Wales Undergraduate Thesis, 2010. 

[7]  Delphian Corporation. (2010) Delphian. [Online]. http://www.delphian.com/sensor‐tech.htm 

[8]  L. Peeples. (2009, Sep.) Scientific American. [Online]. 

http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=air‐pollution‐monitoring‐sensor‐asthma‐black‐

carbon&page=2 

[9]  Mazzarello Media and Arts. (2009) Community Sensing. [Online]. 

http://www.communitysensing.org/ 

[10]  Mobile Environmental Sensing System Across Grid Environments. (2008) Mobile Environmental 

Sensing System Across Grid Environments. [Online]. http://bioinf.ncl.ac.uk/message/ 

[11]  P. V. A. L. e. a. W. Hedgecock, "Mobile Air Pollution Monitoring Network," in Symposium on 

Applied Computing. New York: Association for Computing Machinery, 2010, pp. 795‐796. 

[12]  J. Colls, "Air Pollution," in Air Pollution. London: Spon Press, 2002, pp. 1‐224. 

[13]  E. Health, "Air Pollution Health Alerts," in Air Pollution Health Alerts ‐ What They Mean To You. 

Sydney: New South Wales Government, 2004, pp. 1‐2. 

[14]  Honeywell. (2010, May) BW Technologies. [Online]. http://www.gasmonitors.com/ 

[15]  Intel. (2010, May) Common Sense ‐ Mobile Sensing for Community Action. [Online]. 

http://www.communitysensing.org/index.php 

[16]  Institute for Software Integrated Systems. (2008, Jan.) Mobile Air Quality Monitoring Network. 

[Online]. http://www.isis.vanderbilt.edu/projects/maqumon 

[17]  Programmer PIC16F84. (2007, Oct.) How to Make Programmer PIC16F84. [Online]. 

Page 54: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

52  

http://programmer‐pic16f84.blogspot.com/2007/10/how‐to‐make‐programmer‐pic16f84.html 

[18]  Sparkfun Electronics. (2010, Jan.) Sparkfun Electronics. [Online]. http://www.sparkfun.com 

[19]  e2v. (2010, Jan.) Technology Solutions for High Performance Systems. [Online]. 

http://www.e2v.com/ 

[20]  e2v. (2008, Jan.) MiCS‐2610 O3 Sensor Datasheet . Datasheet. 

[21]  Adeunis RF. (2007, Aug.) ARF32 Bluetooth Modules ‐ User Guide. Datasheet. 

[22]  M. D. W. a. A. W. H. H. Mr Leon Dearden. (2009, Sep.) Printed Circuit Board Design. Lecture Notes.

[23]  smallpower.com. (2009, Jun.) NiMH BATTERY FREQUENTLY ASKED QUESTIONS. [Online]. 

http://4gdo.com/batfaq.htm 

[24]  Honeywell. (2010) GasAlertMicro 5. Image. 

[25]  Common Sense. (2009) Mobile Sensing for Community Action ‐ Handheld Device. Image. 

[26]  C. Woodford. (2008) Explain That Stuff. [Online]. 

http://www.explainthatstuff.com/airpollution.html#cars 

 

 

 

   

Page 55: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

53  

 

 

 

 

  

 

 

 

 

11. APPENDICES    

Page 56: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

54  

    

11.1 Appendix I 

 

Page 57: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

55  

Page 58: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

� 2008 Microchip Technology Inc. DS41262E-page 1

PIC16F631/677/685/687/689/690

High-Performance RISC CPU:• Only 35 Instructions to Learn:

- All single-cycle instructions except branches• Operating Speed:

- DC – 20 MHz oscillator/clock input- DC – 200 ns instruction cycle

• Interrupt Capability• 8-Level Deep Hardware Stack• Direct, Indirect and Relative Addressing modes

Special Microcontroller Features:• Precision Internal Oscillator:

- Factory calibrated to ± 1%- Software selectable frequency range of

8 MHz to 32 kHz- Software tunable- Two-Speed Start-up mode- Crystal fail detect for critical applications- Clock mode switching during operation for

power savings• Power-Saving Sleep mode• Wide Operating Voltage Range (2.0V-5.5V)• Industrial and Extended Temperature Range• Power-on Reset (POR)• Power-up Timer (PWRTE) and Oscillator Start-up

Timer (OST)• Brown-out Reset (BOR) with Software Control

Option• Enhanced Low-Current Watchdog Timer (WDT)

with On-Chip Oscillator (Software selectable nominal 268 Seconds with Full Prescaler) with Software Enable

• Multiplexed Master Clear/Input Pin• Programmable Code Protection• High Endurance Flash/EEPROM Cell:

- 100,000 write Flash endurance- 1,000,000 write EEPROM endurance- Flash/Data EEPROM retention: > 40 years

• Enhanced USART Module:- Supports RS-485, RS-232 and LIN 2.0- Auto-Baud Detect- Auto-wake-up on Start bit

Low-Power Features:• Standby Current:

- 50 nA @ 2.0V, typical• Operating Current:

- 11 μA @ 32 kHz, 2.0V, typical- 220 μA @ 4 MHz, 2.0V, typical

• Watchdog Timer Current:- <1 μA @ 2.0V, typical

Peripheral Features:• 17 I/O Pins and 1 Input-Only Pin:

- High current source/sink for direct LED drive- Interrupt-on-Change pin- Individually programmable weak pull-ups- Ultra Low-Power Wake-up (ULPWU)

• Analog Comparator Module with:- Two analog comparators- Programmable on-chip voltage reference

(CVREF) module (% of VDD)- Comparator inputs and outputs externally

accessible- SR Latch mode- Timer 1 Gate Sync Latch- Fixed 0.6V VREF

• A/D Converter:- 10-bit resolution and 12 channels

• Timer0: 8-bit Timer/Counter with 8-bit Programmable Prescaler

• Enhanced Timer1:- 16-bit timer/counter with prescaler- External Timer1 Gate (count enable)- Option to use OSC1 and OSC2 in LP mode

as Timer1 oscillator if INTOSC mode selected

• Timer2: 8-bit Timer/Counter with 8-bit Period Register, Prescaler and Postscaler

• Enhanced Capture, Compare, PWM+ Module:- 16-bit Capture, max resolution 12.5 ns- Compare, max resolution 200 ns- 10-bit PWM with 1, 2 or 4 output channels,

programmable “dead time”, max frequency 20 kHz

- PWM output steering control• Synchronous Serial Port (SSP):

- SPI mode (Master and Slave)• I2C™ (Master/Slave modes):

- I2C™ address mask• In-Circuit Serial ProgrammingTM (ICSPTM) via Two

Pins

20-Pin Flash-Based, 8-Bit CMOS Microcontrollers withnanoWatt Technology

11.2 Appendix 2

56

Page 59: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

unsigned char Software_version = 0x01; // version 1unsigned char board_identifierH = 0x03;unsigned char board_identifierL = 0xEC; //Board Identify 1004

unsigned char sensor_count = 0x03; // 3 sensors on unit

unsigned char Ref_VoltageH = 0x14;unsigned char Ref_VoltageL = 0xAE ; // Reference Voltage = 3.33 Voltsunsigned char Number_ofSamples = 0x0A;

unsigned char Ozone = 1;unsigned char Nitrogen_Dioxide = 1;unsigned char Carbon_Monoxide = 1;

unsigned char Sensor_Location1 = 1; // Ozoneunsigned char Sensor_Location2 = 2; // Nitrogen Dioxideunsigned char Sensor_Location3 = 3; // Carbon Monoxide

//************ For Sensor 1 - Ozone ****************//// uncalibrated //

unsigned char Sensor1_C0_Byte1 = 0x00;unsigned char Sensor1_C0_Byte2 = 0x00;

unsigned char Sensor1_C1_Byte1 = 0x00;unsigned char Sensor1_C1_Byte2 = 0x00;

unsigned char Sensor1_C2_Byte1 = 0x00;unsigned char Sensor1_C2_Byte2 = 0x00;

//************ For Sensor 2 - Nitrogen Dioxide **********//// 1.0082x^2 - 0.4234x + 0.4416 //

unsigned char Sensor2_C0_Byte1 = 0x3F;unsigned char Sensor2_C0_Byte2 = 0x0B;

unsigned char Sensor2_C1_Byte1 = 0xE5;unsigned char Sensor2_C1_Byte2 = 0x1B;

unsigned char Sensor2_C2_Byte1 = 0x1B;unsigned char Sensor2_C2_Byte2 = 0xAB;

//************ For Sensor 3 - Carbon Monoxide **********//// 545.74x^2 - 164.24x + 11.738 //

unsigned char Sensor3_C0_Byte1 = 0x22;unsigned char Sensor3_C0_Byte2 = 0x2C;

unsigned char Sensor3_C1_Byte1 = 0x99;unsigned char Sensor3_C1_Byte2 = 0x6B;

unsigned char Sensor3_C2_Byte1 = 0x49;unsigned char Sensor3_C2_Byte2 = 0x6A;

11.3 Appendix 3Constant Declaration File for Unit 1004

57

Page 60: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

#include <htc.h>#include "Unit1004.h"

__CONFIG(MCLREN & UNPROTECT & BORDIS & WDTDIS & PWRTEN & INTIO); //configuration code for the microchip

void delayus(unsigned char);void delayms(unsigned char);void delaysecond(unsigned char);void onesec (void);void SendVoltage(unsigned char dataValue,unsigned char SensorID,unsigned char SampleNo );void SendUART(unsigned char dataValue);void SendUART_checksum(unsigned char dataValue);void SetupUART(void);void SendSensorID ( unsigned char SensorID);void SendSensorConstants(void);void SendHeader(void);void SendFooter(void);unsigned char check_battery (void);

unsigned char checksum = 0x00;

void main(){

unsigned char Sensor1;unsigned char Sensor2;unsigned char Sensor3;

unsigned char voltage1;unsigned char voltage1_one;unsigned char voltage1_two;unsigned char voltage1_three;unsigned char voltage1_four;unsigned char voltage1_five;unsigned char voltage1_six;unsigned char voltage1_seven;unsigned char voltage1_eight;unsigned char voltage1_nine;unsigned char voltage1_ten;

unsigned char voltage2;unsigned char voltage2_one;unsigned char voltage2_two;unsigned char voltage2_three;unsigned char voltage2_four;unsigned char voltage2_five;unsigned char voltage2_six;unsigned char voltage2_seven;unsigned char voltage2_eight;unsigned char voltage2_nine;unsigned char voltage2_ten;

unsigned char voltage3;unsigned char voltage3_one;unsigned char voltage3_two;unsigned char voltage3_three;unsigned char voltage3_four;unsigned char voltage3_five;

58

James Carrapetta
Typewritten Text
Execution Program for all Sensor Boards
James Carrapetta
Typewritten Text
James Carrapetta
Typewritten Text
James Carrapetta
Typewritten Text
Page 61: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

unsigned char voltage3_six;unsigned char voltage3_seven;unsigned char voltage3_eight;unsigned char voltage3_nine;unsigned char voltage3_ten;

unsigned char counter = 1;unsigned char battery_status;

ANSEL = 0b00001111; // setting pins RA1 and RA0 as analogue inputsANSELH = 0b00000000;TRISA = 0b00011111; // setting pins RA1 and RA0 as inputsTRISB = 0b00000000; // Setting all of PORTB as outputs TRISC = 0b00000000; // Setting all of PORTC as outputs andADON = 1; // Enable the ADCSetupUART(); // Set up the UART

PORTC = 0b00000000;

while (1){

counter = 1; RC0 = 0; battery_status = check_battery();

while(counter<=10){ RC1 = 0; if(battery_status == 0x00 && ( counter == 2 || counter == 4 || counter == 6 || counter == 8 || counter == 10 )){ RC1 = 1; }

ADFM = 0; // setting the format of the ADC conversion VCFG = 0; // setting the voltage reference at Vdd ADCON0 = 0b00000011; // setting ADC on pin RA0 and starting the conversion

ADCON0 = 0b00000011; // setting ADC on pin RA0 and starting the conversion while ( ADCON0 == 0b00000011) { // wait for conversion process to finish for sensor 1\ }

Sensor1 = ADRESH; delaysecond(1);

ADCON0 = 0b00000111; // setting ADC on pin RA1 and starting the conversion while ( ADCON0 == 0b00000111) { // wait for conversion process to finish for sensor 2 } Sensor2 = ADRESH; //PORTC = voltage2; // display voltage reading on LED's delaysecond(1);

ADCON0 = 0b00001011; // setting ADC on pin RA2 and starting the conversion while ( ADCON0 == 0b00001011) { // wait for conversion process to finish for sensor 3 } Sensor3 = ADRESH;

if (Sensor_Location1 == 1){ voltage1 = Sensor1; } else if(Sensor_Location1 == 2){ voltage2 = Sensor1; }

59

Page 62: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

else if(Sensor_Location1 == 3){ voltage3 = Sensor1; }

if (Sensor_Location2 == 1){ voltage1 = Sensor2; } else if(Sensor_Location2 == 2){ voltage2 = Sensor2; } else if(Sensor_Location2 == 3){ voltage3 = Sensor2; }

if (Sensor_Location3 == 1){ voltage1 = Sensor3; } else if(Sensor_Location3 == 2){ voltage2 = Sensor3; } else if(Sensor_Location3 == 3){ voltage3 = Sensor3; }

if (counter == 1){ voltage1_one = voltage1; voltage2_one = voltage2; voltage3_one = voltage3; }

if (counter == 2){ voltage1_two = voltage1; voltage2_two = voltage2; voltage3_two = voltage3; }

if (counter == 3){ voltage1_three = voltage1; voltage2_three = voltage2; voltage3_three = voltage3; }

if (counter == 4){ voltage1_four = voltage1; voltage2_four = voltage2; voltage3_four = voltage3; }

if (counter == 5){ voltage1_five = voltage1; voltage2_five = voltage2; voltage3_five = voltage3; }

if (counter == 6){ voltage1_six = voltage1; voltage2_six = voltage2; voltage3_six = voltage3; }

if (counter == 7){ voltage1_seven = voltage1; voltage2_seven = voltage2;

60

Page 63: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

voltage3_seven = voltage3; }

if (counter == 8){ voltage1_eight = voltage1; voltage2_eight = voltage2; voltage3_eight = voltage3; }

if (counter == 9){ voltage1_nine = voltage1; voltage2_nine = voltage2; voltage3_nine = voltage3; }

if (counter == 10){ voltage1_ten = voltage1; voltage2_ten = voltage2; voltage3_ten = voltage3; }

counter = counter + 1; battery_status = check_battery();}

// send data over USART RC1 = 0;

if (battery_status == 0x00){ //battery is above critical level RC2 = 1; // Turn Blue Led on to indicate sending status! }

checksum = 0x00; // reset the checksum

SetupUART();RB6 = 1; // Set Clear to Send to 1SendHeader();SendUART_checksum (Software_version);SendUART_checksum (board_identifierH);SendUART_checksum (board_identifierL);SendUART_checksum (sensor_count);SendSensorConstants();SendUART_checksum (Ref_VoltageH);SendUART_checksum (Ref_VoltageL);SendUART_checksum (Number_ofSamples);

//**** Voltages - One ******//SendVoltage (voltage1_one,1,1);SendVoltage (voltage2_one,2,1);SendVoltage (voltage3_one,3,1);

//**** Voltages - Two ******//SendVoltage (voltage1_two,1,2);SendVoltage (voltage2_two,2,2);SendVoltage (voltage3_two,3,2);

//**** Voltages - Three ******//

SendVoltage (voltage1_three,1,3);SendVoltage (voltage2_three,2,3);SendVoltage (voltage3_three,3,3);

61

Page 64: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

//**** Voltages - Four ******//SendVoltage (voltage1_four,1,4);SendVoltage (voltage2_four,2,4);SendVoltage (voltage3_four,3,4);

//**** Voltages - Five ******//SendVoltage (voltage1_five,1,5);SendVoltage (voltage2_five,2,5);SendVoltage (voltage3_five,3,5);

//**** Voltages - Six ******//SendVoltage (voltage1_six,1,6);SendVoltage (voltage2_six,2,6);SendVoltage (voltage3_six,3,6);

//**** Voltages - Seven ******//SendVoltage (voltage1_seven,1,7);SendVoltage (voltage2_seven,2,7);SendVoltage (voltage3_seven,3,7);

//**** Voltages - Eight ******//SendVoltage (voltage1_eight,1,8);SendVoltage (voltage2_eight,2,8);SendVoltage (voltage3_eight,3,8);

//**** Voltages - Nine ******//SendVoltage (voltage1_nine,1,9);SendVoltage (voltage2_nine,2,9);SendVoltage (voltage3_nine,3,9);

//**** Voltages - Ten ******//SendVoltage (voltage1_ten,1,10);SendVoltage (voltage2_ten,2,10);SendVoltage (voltage3_ten,3,10);

SendUART(checksum);

SendFooter();RB6 = 0; // Set Clear to Send to 0delayms(100);;

RC2 = 0; // Turn off Blue Led to indicate not sending

}

}

void delayus(unsigned char delay){ while(delay--);}

void delayms(unsigned char delay){ while(delay--){ delayus(149); }}

void onesec (void){delayms(254);delayms(254);

62

Page 65: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

delayms(254);delayms(254);}

void delaysecond(unsigned char seconds){

while (seconds > 0){onesec();seconds--;}}

void SendHeader(void){unsigned char x = 4; while (x > 0){ SendUART(0xFF); // 1 delayus(149); x = x - 1; }}

void SendFooter(void){unsigned char x = 4; while (x > 0){ SendUART(0xEE); // 1 delayus(149); x = x - 1; }}

void SetupUART(void){ SPBRGH = 0; SPBRG = 25; //9600 bps TXSTA = 0x24; //8-bit, Transmission enabled, High Speed RCSTA = 0x80; //Disable Reception, Enable UART module CREN = 0; //Disable receiver SREN = 0; BAUDCTL = 0; //8-bit, Auto Baud disabled }

void SendUART(unsigned char dataValue){ TXREG = dataValue; //Start transmission delayms(200);}

void SendUART_checksum(unsigned char dataValue){ TXREG = dataValue; //Start transmission delayms(200); checksum = checksum + dataValue;}

void SendSensorID ( unsigned char SensorID){

if (SensorID == 1){ SendUART_checksum(0x01); // 1 delayus(149); }

if (SensorID == 2){ SendUART_checksum(0x02); // 2 delayus(149); }

63

Page 66: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

if (SensorID == 3){ SendUART_checksum(0x03); // 3 delayus(149); }delayms(20);

}

void SendVoltage(unsigned char dataValue,unsigned char SensorID,unsigned char SampleNo ){ if(SampleNo <= Number_ofSamples){ if((SensorID == 1 && Ozone == 1) || (SensorID == 2 && Nitrogen_Dioxide == 1) || (SensorID == 3 && Carbon_Monoxide ==1)){ SendSensorID(SensorID); SendUART_checksum (dataValue); } }}

void SendSensorConstants ( void){

if (Ozone == 1){ SendSensorID(1); SendUART_checksum (Sensor1_C0_Byte1); SendUART_checksum (Sensor1_C0_Byte2); SendUART_checksum (Sensor1_C1_Byte1); SendUART_checksum (Sensor1_C1_Byte2); SendUART_checksum (Sensor1_C2_Byte1); SendUART_checksum (Sensor1_C2_Byte2); } if (Nitrogen_Dioxide == 1){ SendSensorID(2); SendUART_checksum (Sensor2_C0_Byte1); SendUART_checksum (Sensor2_C0_Byte2); SendUART_checksum (Sensor2_C1_Byte1); SendUART_checksum (Sensor2_C1_Byte2); SendUART_checksum (Sensor2_C2_Byte1); SendUART_checksum (Sensor2_C2_Byte2); } if (Carbon_Monoxide == 1){ SendSensorID(3); SendUART_checksum (Sensor3_C0_Byte1); SendUART_checksum (Sensor3_C0_Byte2); SendUART_checksum (Sensor3_C1_Byte1); SendUART_checksum (Sensor3_C1_Byte2); SendUART_checksum (Sensor3_C2_Byte1); SendUART_checksum (Sensor3_C2_Byte2); } }

unsigned char check_battery (void){ unsigned char status; unsigned char batt_level = 0xA0;

ADCON0 = 0b00001111; // setting ADC on pin RA4 and starting the conversion while ( ADCON0 == 0b00000011) { // wait for conversion process to finish for sensor 1 } ADCON0 = 0b00001111; // setting ADC on pin RA4 and starting the conversion while ( ADCON0 == 0b00000011) { // wait for conversion process to finish for sensor 1 }

ADCON0 = 0b00001111; // setting ADC on pin RA4 and starting the conversion while ( ADCON0 == 0b00001111) { // wait for conversion process to finish for sensor 1

64

Page 67: UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES ELECTRICAL ...vijay/research/pollution/reports/...3 Acknowledgements I would like to acknowledge and personally thank Dr. Vijay Sivaraman, my thesis supervisor.

}

status = ADRESH;

if (status < batt_level){ // battery below critical level RC0 = 1; return(0x01); } if (status > batt_level){ // battery above critical level RC0 = 0; return(0x00); }return(0x00);}

65


Recommended