以無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統監測確保室內空氣質(zhì)量

人們經(jīng)常聽(tīng)聞室外空氣污染的問(wèn)題，然而，美國環(huán)境保護署（EPA）表示，美國人有長(cháng)達 90% 的時(shí)間是處于室內，大大超過(guò)了室外。因此，如果住宅、辦公室、商店、健身房和餐廳內的空氣不清新、不干凈，就可能引發(fā)重大的健康風(fēng)險。根據世界衛生組織（WHO）數據，在極端情況下，室內空氣污染每年導致320多萬(wàn)人過(guò)早死亡。
美國國家環(huán)境健康服務(wù)研究所（U.S. National Institute of Environmental Health Services）列出了室內污染源，包括建筑物內的人類(lèi)活動(dòng)，如吸煙、燃燒固體燃料、烹飪和清潔；還有來(lái)自建筑和施工材料、設備和家具的水汽；以及生物污染物，如霉菌、病毒或過(guò)敏源。
其中許多污染物必定要通過(guò)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(wú)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，傳統的一氧化碳報警器會(huì )在一氧化碳濃度達到危險程度時(shí)發(fā)出警報?？墒?，如果出現低于傳統報警器閾值的持續低濃度泄漏，情況就會(huì )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(cháng)期接觸一氧化碳會(huì )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(shí)地應對潛在的危險，尤其是對于長(cháng)期、低程度地暴露于污染的情況。無(wú)線(xiàn)技術(shù)的最新進(jìn)展為室內空氣質(zhì)量測量和監測提供了多種可擴展的解決方案。這些技術(shù)的進(jìn)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；然后結合傳感器數據和智能分析，便能夠更好地了解影響室內空氣質(zhì)量的因素。


改善室內環(huán)境條件
低功耗藍牙等基礎物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，適用于在建筑物內對空氣進(jìn)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有Wi-Fi 接入點(diǎn)之空氣質(zhì)量傳感器。這兩種技術(shù)都能將數據傳輸到資源充足的 Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)，而 Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)又將數據轉發(fā)到云端以供遠程訪(fǎng)問(wèn)。另外，建筑物范圍內的低功耗藍牙網(wǎng)絡(luò )可將數據傳輸到蜂巢式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，無(wú)需使用Wi-Fi即可將數據轉發(fā)到云端。
由于無(wú)線(xiàn)解決方案不需要布線(xiàn)，因此很容易整合到新蓋的建筑中，或改造加入到現有建筑中。由于這些傳感器不使用實(shí)體電線(xiàn)，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。
與傳統傳感器相比，新一代傳感器的主要優(yōu)勢是可以提供連續的數據流，從而識別特定建筑或場(chǎng)所的長(cháng)期空氣質(zhì)量趨勢，以實(shí)現精確的控制。例如，根據大量的歷史資料，可以在預測花粉數量較多的夏季自動(dòng)觸發(fā)額外的空氣凈化，或者在寒冷并且潮濕時(shí)增加通風(fēng)和加熱操作，以阻止霉菌生長(cháng)。
通過(guò)邊緣運算功能，當今的物聯(lián)網(wǎng)設備能夠過(guò)濾這些連續的數據流，只有在需要采取行動(dòng)改變濕度、溫度、通風(fēng)或凈化時(shí)，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，如果設備使用受管制的無(wú)線(xiàn)電頻譜，還可以減少數據費用。
物聯(lián)網(wǎng)可與智能空氣凈化、過(guò)濾系統和智能供暖、通風(fēng)和空調（HVAC）整合，從而實(shí)現靈活性和精確性。例如，如果濕度開(kāi)始上升，導致霉菌滋生，暖通空調系統就可以加強除濕功能?；蛘?，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(shí)，整合系統可以自動(dòng)加強過(guò)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，根據美國環(huán)境保護署（EPA）資料，室內的VOC濃度可能比室外高出10倍，并可能導致嚴重的健康問(wèn)題，包括頭痛、惡心以及對肝臟、腎臟和中樞神經(jīng)系統的潛在損害。


促進(jìn)教育部門(mén)提升空氣清潔度
商用無(wú)線(xiàn)空氣質(zhì)量監測解決方案正在進(jìn)入市場(chǎng)，并取得不錯的成績(jì)。例如，新西蘭的研究表明學(xué)生學(xué)習效果與室內環(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 的室內監測器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(lái)監測二氧化碳、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(lái)監測二氧化碳、VOC、溫度和濕度。

AirSuite使用Nordic Semiconductor的nRF52840系統單芯片（SoC）提供的低功耗藍牙連接，每分鐘將數據直接傳輸到用戶(hù)的智能手機，而Nordic nRF9160系統級封裝（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)數據發(fā)送到云端。通過(guò)專(zhuān)用app和網(wǎng)絡(luò )平臺，當環(huán)境指標超過(guò)或低于預定閾值時(shí)，用戶(hù)可以進(jìn)行監督和接收通知。

監測智能建筑的空氣質(zhì)量
另外，法國物聯(lián)網(wǎng)傳感器專(zhuān)業(yè)公司Adeunis開(kāi)發(fā)專(zhuān)為智慧建筑設計的室內環(huán)境和空氣質(zhì)量解決方案。COMFORT和COMFORT Serenity設備采用溫度、濕度、二氧化碳和VOC傳感器，可向云端提供近乎實(shí)時(shí)的數據。Nordic的nRF9160 SiP為它們提供完善的蜂巢式物聯(lián)網(wǎng)連接，同時(shí)支持NB-IoT和LTE-M網(wǎng)絡(luò )。

 
圖二 : COMFORT Serenity采用 Nordic的nRF9160 SiP，同時(shí)支持NB-IoT和LTE-M無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

Adeunis 射頻硬件開(kāi)發(fā)人員Catalina Raba Mora 解釋道：「高濃度二氧化碳或VOC都會(huì )對健康產(chǎn)生不利影響，因而需要進(jìn)行監測并維持安全水平，而通過(guò)使用我們的傳感器產(chǎn)品，大樓監管人員能夠立即獲取可能暴露于高濃度二氧化碳或VOC的重要數據。此外，我們的設備還能通過(guò)精確的溫度和濕度測量，確保建筑物內的住戶(hù)獲得舒適的環(huán)境?！?br/>Nordic的nRF9160 SiP具有64 MHz Arm Cortex-M33專(zhuān)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設備中的傳感器套件。

 
圖三 : nRF9160 SiP可讓空氣質(zhì)量傳感器通過(guò)蜂巢網(wǎng)絡(luò )將數據發(fā)送到云端。

兩款Adeunis設備都采用帶有NFC界面的直觀(guān)Android應用程序，可簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )和應用配置。使用nRF9160 SiP將設備數據傳輸到云端后，用戶(hù)就可以查看和管理這些信息。云服務(wù)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)量和數據接收情況的全面信息。用戶(hù)可以委托他人管理設備，遠程配置設備，并根據收集到的資料采取必要的措施。
除了檢測二氧化碳和VOC，無(wú)線(xiàn)空氣質(zhì)量監測還可用于識別室內環(huán)境中的其他潛在危險屬性。例如，印度的產(chǎn)品工程服務(wù)機構Technosphere代表 P Alert Industries 開(kāi)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是否存在甲基苯丙胺。
如果在物業(yè)內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(huì )立即向用戶(hù)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(shí)時(shí)甲基苯丙胺含量報告轉發(fā)到相關(guān)的安全云端平臺。這款解決方案提供持續監控，用戶(hù)可以設置檢測頻率。


新一代無(wú)線(xiàn)技術(shù)優(yōu)化健康狀況
根據 Markets and Markets報告，全球空氣質(zhì)量監測系統市場(chǎng)預計到2028年將達到69 億美元，下一步是推出全新一代無(wú)線(xiàn) 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(zhuān)為PSA Level 3設計），并通過(guò)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(lái)支持機器學(xué)習（ML）。此類(lèi) SoC 可以使用長(cháng)期收集的空氣質(zhì)量數據來(lái)訓練ML模型。然后將這些模型應用于傳感器，進(jìn)而有助于智能化調整大樓系統和暖通空調系統，使得居住者獲得最佳的健康條件和舒適度。
例如，大樓系統可以根據特定事件自動(dòng)調整設置，如在一天中的特定時(shí)間，根據預期的大樓占用率增加情況開(kāi)啟空氣凈化器或除濕器，然后在人們離開(kāi)大樓時(shí)關(guān)閉設備。這樣的設備優(yōu)化可以在不必使用時(shí)關(guān)機，從而降低能耗，同時(shí)為居住者精心營(yíng)造舒適的室內環(huán)境。
通過(guò)將機器學(xué)習進(jìn)一步整合到無(wú)線(xiàn)空氣質(zhì)量監測中，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場(chǎng)所帶來(lái)清新的空氣。
（本文作者Lorenzo Amicucci為Nordic Semiconductor業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理）