網(wǎng)絡(luò )傳感器和物聯(lián)網(wǎng)如何幫助解決空氣質(zhì)量危機

　　摘?要：現代工業(yè)社會(huì )造成的污染已成為非常嚴重的問(wèn)題。本文著(zhù)眼于低成本智能傳感器的分布式網(wǎng)絡(luò )如何在管理和緩解空氣污染影響中發(fā)揮作用。

　　關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量；監測；網(wǎng)絡(luò )；傳感器

　　空氣污染會(huì )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(guò)早死亡的風(fēng)險。在世界范圍內，每年約有900萬(wàn)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(guò)世界衛生組織（WHO）規定的地方。 最危險人群為幼年、老年和具有健康問(wèn)題的人士。在戶(hù)外工作或從事體育活動(dòng)的人們，也面臨更高的風(fēng)險。

　　1 解決污染的技術(shù)

　　解決這些問(wèn)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(jīng)計劃淘汰使用化石燃料的車(chē)輛。但是，這些政策的生效通常需要10年或者更長(cháng)的時(shí)間，并且更換所有現有車(chē)輛則將花費更長(cháng)的時(shí)間。

　　嵌入式系統和計算在所需新技術(shù)中發(fā)揮著(zhù)不可估量的作用。例如，嵌入式處理器是電動(dòng)汽車(chē)中諸如電機控制和電池管理之類(lèi)的基本組件。采用先進(jìn)的自動(dòng)化系統，工廠(chǎng)和辦公室可以變得更加的節能。

　　辦公大樓已應用無(wú)源紅外（PIR）傳感器來(lái)判斷建筑物的每個(gè)區域中是否有人，并相應地調整照明和供暖。添加CO₂ 傳感器則將使建筑物的決策更加準確和智能，并可進(jìn)一步地節省能源。

　　在解決更大問(wèn)題時(shí)，電子設備也可用于實(shí)施短期緩解策略。

　　2 污染監測

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

　　對在更大區域內收集到的數據進(jìn)行長(cháng)期的分析，可以確定空氣質(zhì)量始終好或壞的地點(diǎn)。這可以為房屋、學(xué)校和工廠(chǎng)的未來(lái)規劃決策，提供有效參考。

　　過(guò)去，精確的測量需要昂貴且笨重的實(shí)驗室設備。但現在有許多類(lèi)型的傳感器可用作小型電子設備。這包括：

　　● 光學(xué)顆粒計數器，通過(guò)檢測顆粒散射的光來(lái)檢測顆粒的污染程度。

　　● 光學(xué)傳感器通過(guò)測量紅外光的吸收，來(lái)檢測CO和CO₂等氣體。

　　● 金屬氧化物半導體傳感器通過(guò)改變半導體層的電導，來(lái)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，以監控和跟蹤污染水平。稍后將說(shuō)明此種系統的基本設計。

　　通過(guò)添加藍牙或Wi-Fi連接，此類(lèi)傳感器的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )可用于廣泛區域的分布式監控。這可以用于確認問(wèn)題，例如學(xué)校附近的交通污染狀況或者工廠(chǎng)排放造成最嚴重污染的地方。

　　3 污染類(lèi)型及其健康風(fēng)險

　　在許多城市，空氣污染的最大來(lái)源為汽車(chē)。車(chē)輛產(chǎn)生的主要污染氣體為二氧化硫（SO₂ ）和氮氧化物（NOx）的混合物。這些氣體會(huì )影響呼吸和心臟功能。柴油發(fā)動(dòng)機是一個(gè)特別令人關(guān)注的問(wèn)題，因為它還會(huì )產(chǎn)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(shí)。在其他情況下，它則是不可見(jiàn)的，只能使用適當的設備進(jìn)行測量。

　　顆粒的大小直接與其引起健康問(wèn)題的能力有關(guān)。直徑小于2.5 μm的小顆粒（稱(chēng)為PM2.5）形成最大的問(wèn)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SO₂ 、重金屬和顆粒物。

　　化石燃料還會(huì )產(chǎn)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(chǎn)生來(lái)源，特別是油漆和建筑材料。

　　4 便攜式污染監測儀的設計

　　物聯(lián)網(wǎng)設備可以設計為實(shí)時(shí)監測和分析空氣質(zhì)量的設備（圖1）。設備可以顯示來(lái)自一個(gè)或多個(gè)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(lái)實(shí)現更詳細的信息顯示和用戶(hù)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(lái)自多個(gè)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(shí)，設備則會(huì )發(fā)出警報?？梢愿鶕€(gè)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(gè)系統。例如，它可以打開(kāi)通風(fēng)系統或發(fā)送警告文本消息。

　　可以使用云處理服務(wù)完成更詳細的數據聚合、分析和可視化，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器從任何智能設備或計算機對結果進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

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

　　有許多低成本傳感器可作為現成的模塊提供給客戶(hù)，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(lèi)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(xiàn)性的，但可以通過(guò)微控制器上運行的軟件將其轉換為1.0×10^-6級的數值。

　　DFROBOT SEN0219（圖3） 采用非分散紅外（NDIR）感測，通過(guò)測量LED吸收的紅外光來(lái)確定CO₂ 的濃度。

　　同樣來(lái)自DFROBOT的SEN0177（圖4）使用激光散射來(lái)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(gè)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(lèi)型的污染物。

　　5 結論

　　低成本電子傳感器可以提供分布式實(shí)時(shí)空氣污染物檢測。如果人們可以訪(fǎng)問(wèn)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(guò)選擇更安靜的路線(xiàn)，避開(kāi)繁忙的道路，以減少在交通擁擠地段浪費時(shí)間，和避免在戶(hù)外進(jìn)行劇烈的運動(dòng)。

　　我們對技術(shù)的依賴(lài)造成了這些問(wèn)題，但是新技術(shù)也必須成為解決此問(wèn)題方案的一部分。

　?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第06期。）