網絡傳感器和物聯網如何幫助解決空氣質量危機

TME公司

摘要：現代工業(yè)社會造成的污染已成為非常嚴重的問題。本文著眼于低成本智能傳感器的分布式網絡如何在管理和緩解空氣污染影響中發(fā)揮作用。

關鍵詞：空氣質量;監(jiān)測;網絡;傳感器

空氣污染會導致或加劇咳嗽和呼吸急促等癥狀。它可引發(fā)哮喘發(fā)作，并增加患有心肺疾病的人過早死亡的風險。在世界范圍內，每年約有900萬人死于空氣污染，全世界90%以上的人口都生活在污染水平超過世界衛(wèi)生組織（ WHO）規(guī)定的地方。最危險人群為幼年、老年和具有健康問題的人士。在戶外工作或從事體育活動的人們，也面臨更高的風險。

1 解決污染的技術

解決這些問題的根本是在全球范圍內轉向使用更清潔的燃料，控制排放并提高能源效率。

限制排放的政策修訂生效緩慢。例如，許多國家已經計劃淘汰使用化石燃料的車輛。但是，這些政策的生效通常需要10年或者更長的時間，并且更換所有現有車輛則將花費更長的時間。

嵌入式系統和計算在所需新技術中發(fā)揮著不可估量的作用。例如，嵌入式處理器是電動汽車中諸如電機控制和電池管理之類的基本組件。采用先進的自動化系統，工廠和辦公室可以變得更加的節(jié)能。

辦公大樓已應用無源紅外（ PIR）傳感器來判斷建筑物的每個區(qū)域中是否有人，并相應地調整照明和供暖。添加C02傳感器則將使建筑物的決策更加準確和智能，并可進一步地節(jié)省能源。

在解決更大問題時，電子設備也可用于實施短期緩解策略。

2 污染監(jiān)測

需要精確地監(jiān)測污染。如果每個人都知道當地的空氣質量狀況，則他們可以采取合適的行動以減小影響。例如，避開最繁忙的道路可使您所遭受的污染程度減半。

對在更大區(qū)域內收集到的數據進行長期的分析，可以確定空氣質量始終好或壞的地點。這可以為房屋、學校和工廠的未來規(guī)劃決策，提供有效參考。

過去，精確的測量需要昂貴且笨重的實驗室設備。但現在有許多類型的傳感器可用作小型電子設備。這包括：

.光學顆粒計數器，通過檢測顆粒散射的光來檢測顆粒的污染程度。

.光學傳感器通過測量紅外光的吸收，來檢測CO和C02等氣體。

.金屬氧化物半導體傳感器通過改變半導體層的電導，來檢測氣體的存在。

與微控制器綜合使用，它們可用于構建小型低成本的設備，以監(jiān)控和跟蹤污染水平。稍后將說明此種系統的基本設計。

通過添加藍牙或Wi-Fi連接，此類傳感器的物聯網網絡可用于廣泛區(qū)域的分布式監(jiān)控。這可以用于確認問題，例如學校附近的交通污染狀況或者工廠排放造成最嚴重污染的地方。

3 污染類型及其健康風險

在許多城市，空氣污染的最大來源為汽車。車輛產生的主要污染氣體為二氧化硫（ S02）和氮氧化物（ NOx）的混合物。這些氣體會影響呼吸和心臟功能。柴油發(fā)動機是一個特別令人關注的問題，因為它還會產生大量的顆粒物。

顆粒物包括在空氣漂浮的固體顆粒和液滴的混合物。通常，顆粒物污染以霧霾的形式顯現，尤其是當它有助于形成煙霧時。在其他情況下，它則是不可見的，只能使用適當的設備進行測量。

顆粒的大小直接與其引起健康問題的能力有關。直徑小于2.5 μm的小顆粒（稱為PM2.5）形成最大的問題，因為它們可以深入到人體的肺部甚至血液中。

在亞洲，主要因素是燃燒供熱和發(fā)電的木材和煤炭。煤炭釋放出的污染物包括S02、重金屬和顆粒物。

化石燃料還會產生揮發(fā)性的有機化合物（ VOC）。這些都為有毒化合物，例如：苯、甲醛和其他可能在大氣中以氣體形式存在的化合物。其中許多都是致癌物。它們也有其他產生來源，特別是油漆和建筑材料。

4 便攜式污染監(jiān)測儀的設計

物聯網設備可以設計為實時監(jiān)測和分析空氣質量的設備（圖1）。設備可以顯示來自一個或多個傳感器的檢測結果。這可使用便捷的數字LED顯示所檢測的污染水平，或者使用LCD觸摸屏來實現更詳細的信息顯示和用戶交互功能。

由于設備上的存儲空間有限，并且為了能夠共享和集成來自多個設備的數據，設備將使用Wi-Fi連接將數據上傳到云中。

當檢測的特定污染物達到預設水平時，設備則會發(fā)出警報。可以根據個人的需要設置此閾值（例如，哮喘患者可能需要比其他患者更早的提醒警告）。

警報閾值也可被用于控制另一個系統。例如，它可以打開通風系統或發(fā)送警告文本消息。

可以使用云處理服務完成更詳細的數據聚合、分析和可視化，并通過網絡服務器從任何智能設備或計算機對結果進行訪問。

合適的微控制器板由半導體供應商和第三方進行出售。有許多事實上的標準，例如Arduino，它們規(guī)定了外形尺寸、接口、管腳等等。這導致了兼容子系統、開發(fā)工具和應用軟件的爆炸式增長。并可從供應商和社區(qū)獲得支持。這使得原型化新產品構思既簡單又經濟高效。相同的硬件甚至可用于小批量的生產。

有許多低成本傳感器可作為現成的模塊提供給客戶，它們具有標準的串行或模擬接口。這樣可以輕松連接至微控制器。

例如，MQ135氣體傳感器（圖2）是用于檢測揮發(fā)性有機化合物的金屬氧化物半導體（MOS）傳感器。它可檢測苯和類似的化合物。它提供了代表檢測到污染物水平的模擬電壓輸出。盡管響應是非線性的，但可以通過微控制器上運行的軟件將其轉換為1.0×10^-6級的數值。采用非分散紅外（ NDIR）感測，通過測量LED吸收的紅外光來確定CO，的濃度。

同樣來自DFROBOT的SEN0177（圖4）使用激光散射來測量PM2.5塵埃顆粒的濃度。這使用串行接口將顆粒計數傳輸到微控制器。

一些模塊結合了多種傳感功能。例如，SparkfunSEN-14348使用了多個傳感器以提供揮發(fā)性有機化合物的水平以及濕度、溫度和大氣壓的測量數值。

相同的基本硬件可以與各種傳感器一起使用，以檢測不同類型的污染物。

5 結論

低成本電子傳感器可以提供分布式實時空氣污染物檢測。如果人們可以訪問準確且最新的當前信息，則可采取措施以減少暴露于污染環(huán)境中。例如，他們可以通過選擇更安靜的路線，避開繁忙的道路，以減少在交通擁擠地段浪費時間，和避免在戶外進行劇烈的運動。

我們對技術的依賴造成了這些問題，但是新技術也必須成為解決此問題方案的一部分。