以無線物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測確保室內(nèi)空氣質(zhì)量

人們經(jīng)常聽聞室外空氣污染的問題，然而，美國環(huán)境保護署（EPA）表示，美國人有長達 90% 的時間是處于室內(nèi)，大大超過了室外。因此，如果住宅、辦公室、商店、健身房和餐廳內(nèi)的空氣不清新、不干凈，就可能引發(fā)重大的健康風險。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）數(shù)據(jù)，在極端情況下，室內(nèi)空氣污染每年導致320多萬人過早死亡。
美國國家環(huán)境健康服務研究所（U.S. National Institute of Environmental Health Services）列出了室內(nèi)污染源，包括建筑物內(nèi)的人類活動，如吸煙、燃燒固體燃料、烹飪和清潔；還有來自建筑和施工材料、設(shè)備和家具的水汽；以及生物污染物，如霉菌、病毒或過敏源。
其中許多污染物必定要通過特定的技術(shù)才能檢測到。例如，燃氣加熱器產(chǎn)生的一氧化碳是無味的。如果排放得當，這種廢氣是安全的。當突然發(fā)生嚴重泄漏，傳統(tǒng)的一氧化碳報警器會在一氧化碳濃度達到危險程度時發(fā)出警報?？墒?，如果出現(xiàn)低于傳統(tǒng)報警器閾值的持續(xù)低濃度泄漏，情況就會迅速惡化。雖然這種程度的一氧化碳泄漏不太可能致命，但長期接觸一氧化碳會導致肌肉骨骼損傷、疲勞和記憶力減退等嚴重癥狀。
幸運的是，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）提供了解決方案。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能夠更細致、更及時地應對潛在的危險，尤其是對于長期、低程度地暴露于污染的情況。無線技術(shù)的最新進展為室內(nèi)空氣質(zhì)量測量和監(jiān)測提供了多種可擴展的解決方案。這些技術(shù)的進步使我們可以靈活安置各種傳感器，獨立于本地IT 網(wǎng)絡(luò)以外；然后結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)和智能分析，便能夠更好地了解影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的因素。


改善室內(nèi)環(huán)境條件
低功耗藍牙等基礎(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，適用于在建筑物內(nèi)對空氣進行采樣的小型電池供電傳感器；而低功耗Wi-Fi技術(shù)則理想用于可充分利用現(xiàn)有Wi-Fi 接入點之空氣質(zhì)量傳感器。這兩種技術(shù)都能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)劫Y源充足的 Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)，而 Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)又將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端以供遠程訪問。另外，建筑物范圍內(nèi)的低功耗藍牙網(wǎng)絡(luò)可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒涑彩轿锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，無需使用Wi-Fi即可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端。
由于無線解決方案不需要布線，因此很容易整合到新蓋的建筑中，或改造加入到現(xiàn)有建筑中。由于這些傳感器不使用實體電線，可以輕松巧妙地安放在需要的位置；例如，可以在礦物燃料加熱器附近或空氣流通不暢的房間安裝一氧化碳傳感器。
與傳統(tǒng)傳感器相比，新一代傳感器的主要優(yōu)勢是可以提供連續(xù)的數(shù)據(jù)流，從而識別特定建筑或場所的長期空氣質(zhì)量趨勢，以實現(xiàn)精確的控制。例如，根據(jù)大量的歷史資料，可以在預測花粉數(shù)量較多的夏季自動觸發(fā)額外的空氣凈化，或者在寒冷并且潮濕時增加通風和加熱操作，以阻止霉菌生長。
通過邊緣運算功能，當今的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠過濾這些連續(xù)的數(shù)據(jù)流，只有在需要采取行動改變濕度、溫度、通風或凈化時，才將信息發(fā)送到智能手機、網(wǎng)關(guān)或直接發(fā)送到云端。這樣可以降低能耗，而且，如果設(shè)備使用受管制的無線電頻譜，還可以減少數(shù)據(jù)費用。
物聯(lián)網(wǎng)可與智能空氣凈化、過濾系統(tǒng)和智能供暖、通風和空調(diào)（HVAC）整合，從而實現(xiàn)靈活性和精確性。例如，如果濕度開始上升，導致霉菌滋生，暖通空調(diào)系統(tǒng)就可以加強除濕功能。或者，當傳感器在空氣中檢測到二氧化碳、揮發(fā)性有機化合物（VOC）（這是空氣中對人體健康威脅最大的物質(zhì)之一）或其他污染物時，整合系統(tǒng)可以自動加強過濾操作。
VOC廣泛應用于油漆、涂料以及清潔、消毒和除油污產(chǎn)品中，根據(jù)美國環(huán)境保護署（EPA）資料，室內(nèi)的VOC濃度可能比室外高出10倍，并可能導致嚴重的健康問題，包括頭痛、惡心以及對肝臟、腎臟和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的潛在損害。


促進教育部門提升空氣清潔度
商用無線空氣質(zhì)量監(jiān)測解決方案正在進入市場，并取得不錯的成績。例如，新西蘭的研究表明學生學習效果與室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量相關(guān)，促使新西蘭教育部發(fā)起了Te Haratau 計劃。

AirSuite 的室內(nèi)監(jiān)測器Glance可用于檢測和記錄一系列環(huán)境變量，這些變量可能影響商業(yè)、工業(yè)和家庭環(huán)境中人們的健康和工作效率。AirSuite Glance 采用一系列傳感器來監(jiān)測二氧化碳、VOC、溫度和濕度，以及聲音、光照度和氣壓。

 
圖一 : AirSuite Glance采用一系列傳感器來監(jiān)測二氧化碳、VOC、溫度和濕度。

AirSuite使用Nordic Semiconductor的nRF52840系統(tǒng)單芯片（SoC）提供的低功耗藍牙連接，每分鐘將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)接脩舻闹悄苁謾C，而Nordic nRF9160系統(tǒng)級封裝（SiP）則提供LTE-M 或 NB-IoT（蜂巢式物聯(lián)網(wǎng)）連接，至少每 15 分鐘將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。通過專用app和網(wǎng)絡(luò)平臺，當環(huán)境指標超過或低于預定閾值時，用戶可以進行監(jiān)督和接收通知。

監(jiān)測智能建筑的空氣質(zhì)量
另外，法國物聯(lián)網(wǎng)傳感器專業(yè)公司Adeunis開發(fā)專為智慧建筑設(shè)計的室內(nèi)環(huán)境和空氣質(zhì)量解決方案。COMFORT和COMFORT Serenity設(shè)備采用溫度、濕度、二氧化碳和VOC傳感器，可向云端提供近乎實時的數(shù)據(jù)。Nordic的nRF9160 SiP為它們提供完善的蜂巢式物聯(lián)網(wǎng)連接，同時支持NB-IoT和LTE-M網(wǎng)絡(luò)。

 
圖二 : COMFORT Serenity采用 Nordic的nRF9160 SiP，同時支持NB-IoT和LTE-M無線網(wǎng)絡(luò)。

Adeunis 射頻硬件開發(fā)人員Catalina Raba Mora 解釋道：「高濃度二氧化碳或VOC都會對健康產(chǎn)生不利影響，因而需要進行監(jiān)測并維持安全水平，而通過使用我們的傳感器產(chǎn)品，大樓監(jiān)管人員能夠立即獲取可能暴露于高濃度二氧化碳或VOC的重要數(shù)據(jù)。此外，我們的設(shè)備還能通過精確的溫度和濕度測量，確保建筑物內(nèi)的住戶獲得舒適的環(huán)境?！?br/>Nordic的nRF9160 SiP具有64 MHz Arm Cortex-M33專用應用處理器，提供充足的處理能力，能夠管理整合在COMFORT和COMFORT Serenity設(shè)備中的傳感器套件。

 
圖三 : nRF9160 SiP可讓空氣質(zhì)量傳感器通過蜂巢網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。

兩款Adeunis設(shè)備都采用帶有NFC界面的直觀Android應用程序，可簡化網(wǎng)絡(luò)和應用配置。使用nRF9160 SiP將設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫撕螅脩艟涂梢圆榭春凸芾磉@些信息。云服務器可以提供有關(guān)傳感器運行狀態(tài)、電池壽命、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和數(shù)據(jù)接收情況的全面信息。用戶可以委托他人管理設(shè)備，遠程配置設(shè)備，并根據(jù)收集到的資料采取必要的措施。
除了檢測二氧化碳和VOC，無線空氣質(zhì)量監(jiān)測還可用于識別室內(nèi)環(huán)境中的其他潛在危險屬性。例如，印度的產(chǎn)品工程服務機構(gòu)Technosphere代表 P Alert Industries 開發(fā)了預防性解決方案，可讓物業(yè)管理人員和房主檢測建筑物內(nèi)是否存在甲基苯丙胺。
如果在物業(yè)內(nèi)檢測到吸入或制造甲基苯丙胺的情況，P Alert Meth Alarm甲基苯丙胺警報器會立即向用戶的智能手機發(fā)出警報。利用Nordic nRF9160 SiP 提供的蜂巢式物聯(lián)網(wǎng)連接，可將警報和實時甲基苯丙胺含量報告轉(zhuǎn)發(fā)到相關(guān)的安全云端平臺。這款解決方案提供持續(xù)監(jiān)控，用戶可以設(shè)置檢測頻率。


新一代無線技術(shù)優(yōu)化健康狀況
根據(jù) Markets and Markets報告，全球空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)市場預計到2028年將達到69 億美元，下一步是推出全新一代無線 SoC。Nordic多協(xié)議SoC產(chǎn)品nRF54H20和 nRF54L15就是主要的示例。這些 SoC 降低了功耗，提高了安全性（專為PSA Level 3設(shè)計），并通過高整合度降低了總體材料成本（BoM）。
nRF54L15可以支持包括藍牙 5.4、藍牙 NLC/Mesh 1.1、Matter、KNX IoT 等多種協(xié)定，是低功耗、成本優(yōu)化型終端設(shè)備的理想選擇。nRF54H20則適用于需要更強處理能力且不影響功耗的高階設(shè)備或單芯片網(wǎng)關(guān)應用（例如與用于 Wi-Fi 的 nRF7002協(xié)同IC 相結(jié)合）。

 
圖四 : nRF54H20適用于需要更強處理能力且不影響功耗的高等空氣質(zhì)量傳感器。

這兩款SoC 都有充足的資源來支持機器學習（ML）。此類 SoC 可以使用長期收集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來訓練ML模型。然后將這些模型應用于傳感器，進而有助于智能化調(diào)整大樓系統(tǒng)和暖通空調(diào)系統(tǒng)，使得居住者獲得最佳的健康條件和舒適度。
例如，大樓系統(tǒng)可以根據(jù)特定事件自動調(diào)整設(shè)置，如在一天中的特定時間，根據(jù)預期的大樓占用率增加情況開啟空氣凈化器或除濕器，然后在人們離開大樓時關(guān)閉設(shè)備。這樣的設(shè)備優(yōu)化可以在不必使用時關(guān)機，從而降低能耗，同時為居住者精心營造舒適的室內(nèi)環(huán)境。
通過將機器學習進一步整合到無線空氣質(zhì)量監(jiān)測中，有望提供更強大的預測性洞察力，協(xié)助做出明智的決策，為人們改善健康。最終，物聯(lián)網(wǎng)解決方案將為人們生活的所有室內(nèi)場所帶來清新的空氣。
（本文作者Lorenzo Amicucci為Nordic Semiconductor業(yè)務發(fā)展經(jīng)理）