個(gè)性化的空氣質(zhì)量測量 全靠先進(jìn)的PM2.5和VOC傳感器技術(shù)

近些年,隨著(zhù)人們對環(huán)境保護的重視及對自身健康提升的不斷追求,空氣質(zhì)量已經(jīng)成為了熱點(diǎn)話(huà)題。然而目前我們能查看到的空氣檢測數據都是基于較大范圍的測量而非個(gè)性化的,此文就著(zhù)重介紹能夠為用戶(hù)提供更小范圍周?chē)諝赓|(zhì)量數據的技術(shù)和原理?？諝馕廴緶y量的兩個(gè)重要指標是2.5微米或更小的微粒物質(zhì)(PM2.5)和揮發(fā)性有機化合物(VOC)。例如,壁爐和蠟燭在燃燒過(guò)程中便會(huì )在室內空間釋放這類(lèi)物質(zhì)。日常物品,例如清潔用品、家具或紡織品也可能排放VOC。通過(guò)全新PM2.5和VOC傳感技術(shù),則能夠實(shí)現個(gè)性化空氣質(zhì)量監測,從而改善人們的健康。

個(gè)性化PM2.5監測

我們知道,暴露在顆粒物環(huán)境中會(huì )導致嚴重的健康問(wèn)題,世界衛生組織(WHO)稱(chēng):“通過(guò)改善空氣質(zhì)量,各國可以降低中風(fēng)、心臟病、肺癌,以及慢性和急性呼吸系統疾病,包括哮喘的發(fā)病率^[i]?！?/p>

雖然所有粒徑的顆粒物都具有危害性,但對人類(lèi)健康影響最大的依然是PM2.5范圍內^[ii],即直徑小于2.5 μm的顆粒物。這些微小的PM2.5顆粒很容易進(jìn)入肺部深處,并導致嚴重的健康問(wèn)題。盡管研究仍在進(jìn)行中,但有證據表明,暴露在PM2.5環(huán)境中可能與對病毒性疾病(包括SARS-CoV-2在內)的敏感性有關(guān),如哈佛大學(xué)最近的一項研究所述^[iii]。

官方空氣質(zhì)量監測站僅提供室外環(huán)境的合并或平均數據,而并不包含相應的室內空氣質(zhì)量數據。這些檢測站無(wú)法生成個(gè)性化信息,僅會(huì )測量一段時(shí)間內所在地附近的平均空氣質(zhì)量,因此缺乏實(shí)時(shí)效應,無(wú)法用于跟蹤我們周?chē)嘧兊沫h(huán)境狀況,或監測當地PM水平的波動(dòng)。

用于空氣污染測量的便攜式空氣質(zhì)量測量設備或劑量計(例如裝于我們的智能手機或可穿戴設備中)可以解決此問(wèn)題。到目前為止,對于移動(dòng)設備而言,PM2.5傳感器的尺寸依然過(guò)大。Bosch Sensortec最近開(kāi)發(fā)了一種傳感器技術(shù),可監測個(gè)人暴露在空氣污染中的程度。

借助全新博世PM2.5技術(shù),如今能夠將PM2.5感應功能集成于移動(dòng)設備中,以測量一個(gè)人每天的PM暴露量。用戶(hù)可以查看自己所在地空氣污染水平的數據和趨勢。通過(guò)例如智能手機監控個(gè)人在空氣污染環(huán)境中的暴露程度,用戶(hù)可獲得可靠、透明的信息,從而采取行動(dòng),并根據WHO空氣質(zhì)量準則將其PM2.5暴露程度降至最低^[iv]。

例如,圖1展示了與BreezoMeter公司合作打造的PM2.5劑量計演示應用程序。Dosimeter App通過(guò)將使用博世PM 2.5傳感器技術(shù)在本地測量的PM數據,與BreezoMeter空氣污染數據彼此結合,來(lái)計算個(gè)人每天的PM暴露量。

圖1:   顆粒測量劑量計

微粒傳感器技術(shù)

常規的光學(xué)消費電子PM傳感器依靠?jì)戎蔑L(fēng)扇將空氣抽吸通過(guò)一個(gè)測量單元,由此記錄顆粒數,并計算每單位體積的顆粒濃度。這種方法的問(wèn)題在于,此類(lèi)傳感器的物理尺寸非常大,通常近乎火柴盒大小,因此無(wú)法應用在平板便攜式設備,諸如智能手機中。

Bosch Sensortec最近開(kāi)發(fā)的獨特PM傳感器技術(shù)僅需要自然的環(huán)境氣流即可展開(kāi)測量。其原理類(lèi)似照相機,在一個(gè)玻璃蓋后側集成了三個(gè)1級人眼安全激光器,與智能手機中的照相機十分相似。

這種新穎的方法使Bosch Sensortec能夠開(kāi)發(fā)出物理尺寸大大縮小的PM感應解決方案,體積約是市場(chǎng)上其他解決方案的五百分之一(0.2%)。其尺寸已縮減至類(lèi)似火柴頭大小,這使此項新技術(shù)非常適合消費類(lèi)設備中的個(gè)性化PM2.5測量。它具有低功耗、免維護的特點(diǎn),并可集成到防水應用中。

VOC檢測

揮發(fā)性有機化合物(VOC)是另一個(gè)必須關(guān)注的空氣污染問(wèn)題,這是可在任何房間出現的一組范圍廣泛的化學(xué)反應性氣體。人們通常90%的時(shí)間都在室內度過(guò),因此室內環(huán)境空氣中VOC的濃度會(huì )對我們的健康造成巨大影響。

VOC傳感器可以檢測建筑物內和室外的各種氣體,包括(氫)碳化合物(例如酒精或CO)、硫化物(會(huì )引起難聞的氣味,例如H₂S)和溶劑(例如丙酮)。這些可能來(lái)自油漆、清漆或清潔劑。在智能家居中,VOC信息可幫助操控多種設備,例如打開(kāi)和關(guān)閉廚房抽油煙機或啟動(dòng)空氣凈化器。另外,這些信息可用于生成警報,例如火災檢測,甚至是識別冰箱中的食物變質(zhì)。VOC數據也可以與其他物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用配合使用,例如基于空氣質(zhì)量數據優(yōu)化辦公樓的通風(fēng)。

圖2:VOC和PM2.5對空氣質(zhì)量的影響

為測量VOC,博世開(kāi)發(fā)出一款緊湊型高性能氣體傳感器。BME680是世界上最小的解決方案,提供4合1空氣質(zhì)量監測功能。它可以測量環(huán)境溫度、大氣壓力、相對濕度和氣體,并擁有3 x 3 x 0.93 mm³尺寸封裝,可在低于0.1 mA的超低功率范圍內運行。

該傳感器能夠區分新鮮空氣(即清潔空氣,主要是氮氣、氧氣和濕氣)和使用過(guò)的帶有其他污染物的空氣。通常,如果有人在房間中,呼氣是造成空氣質(zhì)量下降的最重要原因之一。了解周?chē)諝庵械暮魵饬坑兄趦?yōu)化通風(fēng),從而降低諸如SARS-CoV-2等病毒的空氣傳播機率^[v]。

 智能軟件將收集到的傳感器數據轉換為對用戶(hù)有用的信息輸出。通過(guò)將現代氣體傳感技術(shù)與人工智能(AI)相結合,可以識別和分類(lèi)不同的環(huán)境條件,從而實(shí)現眾多全新應用。

讓我們以森林氣候測繪和早期森林火災風(fēng)險評估這一高級用例進(jìn)行說(shuō)明。首先,傳感器網(wǎng)絡(luò )通過(guò)實(shí)時(shí)監測所有環(huán)境活動(dòng)測繪整個(gè)區域。其次,機器學(xué)習以原始數據為基礎創(chuàng )建數學(xué)模型,由此對不同情況進(jìn)行分類(lèi)和預測,并評估各自風(fēng)險。最后,終端人工智能使最終產(chǎn)品能夠匹配各個(gè)用戶(hù)的特定區域條件,并降低功耗。

圖3:森林氣候用例示圖

另一個(gè)用例為確定何時(shí)需要為嬰兒更換尿布。傳感器硬件可以測量溫度、壓力、濕度和氣體,但父母并不需要如此詳細的信息,他們只需要知道何時(shí)應采取行動(dòng)。由于20歲以上的人口中約有19 %患有嗅覺(jué)障礙,因此這些基本信息可以幫助他們在一定程度上提升生活質(zhì)量^[vi]。通過(guò)機器學(xué)習開(kāi)發(fā)的數學(xué)模型能夠用于將原始傳感器數據轉換為簡(jiǎn)單的狀態(tài)指示,并通過(guò)人工智能對模型進(jìn)行微調。 

圖.4:尿布用例示圖

博世正在進(jìn)一步擴展氣體傳感器的范圍,以增加新功能并實(shí)現新用例。全新氣體傳感技術(shù)將包括更先進(jìn)的軟件和更廣泛的氣體檢測功能。例如,氣體傳感器可以檢測不同的氣體成分,通過(guò)與參考數據進(jìn)行對比,識別單獨氣味(圖5)。潛在的用例包括監視公共場(chǎng)所的清潔狀況、對口臭進(jìn)行分類(lèi),或監測食物變質(zhì)。

圖5:環(huán)境感應檢測不同氣體成分

結語(yǔ)

通過(guò)生成準確、實(shí)時(shí)、個(gè)性化的空氣質(zhì)量數據,全新傳感器技術(shù)將改變我們評估周?chē)諝赓|(zhì)量的方式,幫助我們做出回應。我們將能夠更好地規劃何時(shí)出門(mén),調整通勤或戶(hù)外體育活動(dòng)的時(shí)間,或通過(guò)控制通風(fēng)并避免產(chǎn)生顆粒來(lái)調節室內的空氣質(zhì)量。如加以調整,這項技術(shù)也將有助于我們做出明智的決定,例如搬遷至哪個(gè)地區或決定去哪里度假。隨著(zhù)人們對環(huán)境和自身健康關(guān)注意識的提升,對空氣質(zhì)量應用的需求在未來(lái)將繼續增長(cháng)。

博世空氣質(zhì)量傳感技術(shù)體積極小,可在智能手機等平板便攜式設備中使用,而且其成本同樣可滿(mǎn)足批量生產(chǎn)需求。

引用

[i] WHO, ‘Ambient (outdoor) air pollution’, https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health

[ii] Department for Environment Food & Rural Affairs, Public Health: ‘Sources and Effects of PM2.5’,  https://laqm.defra.gov.uk/public-health/pm25.html

[iii] Harvard University, ‘Linking Air Pollution to Higher Coronavirus Death Rates’, https://www.hsph.harvard.edu/biostatistics/2020/04/linking-air-pollution-to-higher-coronavirus-death-rates/

[iv] https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health

[v] Environment international: “Airborne transmission of SARS-CoV-2: The world should face the reality”, 2020.

[vi] Harvard Medical School: “Smell disorders: When your sense of smell goes astray”, 2018.