网络传感器和物联网如何帮助解决空气质量危机

　　摘 要：现代工业社会造成的污染已成为非常严重的问题。本文着眼于低成本智能传感器的分布式网络如何在管理和缓解空气污染影响中发挥作用。

　　关键词：空气质量；监测；网络；传感器

　　空气污染会导致或加剧咳嗽和呼吸急促等症状。它可引发哮喘发作，并增加患有心肺疾病的人过早死亡的风险。在世界范围内，每年约有900万人死于空气污染，全世界90％以上的人口都生活在污染水平超过世界卫生组织（WHO）规定的地方。 最危险人群为幼年、老年和具有健康问题的人士。在户外工作或从事体育活动的人们，也面临更高的风险。

　　1 解决污染的技术

　　解决这些问题的根本是在全球范围内转向使用更清洁的燃料，控制排放并提高能源效率。

　　限制排放的政策修订生效缓慢。例如，许多国家已经计划淘汰使用化石燃料的车辆。但是，这些政策的生效通常需要10年或者更长的时间，并且更换所有现有车辆则将花费更长的时间。

　　嵌入式系统和计算在所需新技术中发挥着不可估量的作用。例如，嵌入式处理器是电动汽车中诸如电机控制和电池管理之类的基本组件。采用先进的自动化系统，工厂和办公室可以变得更加的节能。

　　办公大楼已应用无源红外（PIR）传感器来判断建筑物的每个区域中是否有人，并相应地调整照明和供暖。添加CO₂ 传感器则将使建筑物的决策更加准确和智能，并可进一步地节省能源。

　　在解决更大问题时，电子设备也可用于实施短期缓解策略。

　　2 污染监测

　　需要精确地监测污染。如果每个人都知道当地的空气质量状况，则他们可以采取合适的行动以减小影响。例如，避开最繁忙的道路可使您所遭受的污染程度减半。

　　对在更大区域内收集到的数据进行长期的分析，可以确定空气质量始终好或坏的地点。这可以为房屋、学校和工厂的未来规划决策，提供有效参考。

　　过去，精确的测量需要昂贵且笨重的实验室设备。但现在有许多类型的传感器可用作小型电子设备。这包括：

　　● 光学颗粒计数器，通过检测颗粒散射的光来检测颗粒的污染程度。

　　● 光学传感器通过测量红外光的吸收，来检测CO和CO₂等气体。

　　● 金属氧化物半导体传感器通过改变半导体层的电导，来检测气体的存在。

　　与微控制器综合使用，它们可用于构建小型低成本的设备，以监控和跟踪污染水平。稍后将说明此种系统的基本设计。

　　通过添加蓝牙或Wi-Fi连接，此类传感器的物联网网络可用于广泛区域的分布式监控。这可以用于确认问题，例如学校附近的交通污染状况或者工厂排放造成最严重污染的地方。

　　3 污染类型及其健康风险

　　在许多城市，空气污染的最大来源为汽车。车辆产生的主要污染气体为二氧化硫（SO₂ ）和氮氧化物（NOx）的混合物。这些气体会影响呼吸和心脏功能。柴油发动机是一个特别令人关注的问题，因为它还会产生大量的颗粒物。

　　颗粒物包括在空气漂浮的固体颗粒和液滴的混合物。通常，颗粒物污染以雾霾的形式显现，尤其是当它有助于形成烟雾时。在其他情况下，它则是不可见的，只能使用适当的设备进行测量。

　　颗粒的大小直接与其引起健康问题的能力有关。直径小于2.5 µm的小颗粒（称为PM2.5）形成最大的问题，因为它们可以深入到人体的肺部甚至血液中。

　　在亚洲，主要因素是燃烧供热和发电的木材和煤炭。煤炭释放出的污染物包括SO₂ 、重金属和颗粒物。

　　化石燃料还会产生挥发性的有机化合物（VOC）。这些都为有毒化合物，例如：苯、甲醛和其他可能在大气中以气体形式存在的化合物。其中许多都是致癌物。它们也有其他产生来源，特别是油漆和建筑材料。

　　4 便携式污染监测仪的设计

　　物联网设备可以设计为实时监测和分析空气质量的设备（图1）。设备可以显示来自一个或多个传感器的检测结果。这可使用便捷的数字LED显示所检测的污染水平，或者使用LCD触摸屏来实现更详细的信息显示和用户交互功能。

　　由于设备上的存储空间有限，并且为了能够共享和集成来自多个设备的数据，设备将使用Wi-Fi连接将数据上传到云中。

　　当检测的特定污染物达到预设水平时，设备则会发出警报。可以根据个人的需要设置此阈值（例如，哮喘患者可能需要比其他患者更早的提醒警告）。

　　警报阈值也可被用于控制另一个系统。例如，它可以打开通风系统或发送警告文本消息。

　　可以使用云处理服务完成更详细的数据聚合、分析和可视化，并通过网络服务器从任何智能设备或计算机对结果进行访问。

　　合适的微控制器板由半导体供应商和第三方进行出售。有许多事实上的标准，例如Arduino，它们规定了外形尺寸、接口、管脚等等。这导致了兼容子系统、开发工具和应用软件的爆炸式增长。并可从供应商和社区获得支持。这使得原型化新产品构思既简单又经济高效。相同的硬件甚至可用于小批量的生产。

　　有许多低成本传感器可作为现成的模块提供给客户，它们具有标准的串行或模拟接口。这样可以轻松连接至微控制器。

　　例如，MQ135气体传感器（图2）是用于检测挥发性有机化合物的金属氧化物半导体（MOS）传感器。它可检测苯和类似的化合物。它提供了代表检测到污染物水平的模拟电压输出。尽管响应是非线性的，但可以通过微控制器上运行的软件将其转换为1.0×10^-6级的数值。

　　DFROBOT SEN0219（图3） 采用非分散红外（NDIR）感测，通过测量LED吸收的红外光来确定CO₂ 的浓度。

　　同样来自DFROBOT的SEN0177（图4）使用激光散射来测量PM2.5尘埃颗粒的浓度。这使用串行接口将颗粒计数传输到微控制器。

　　一些模块结合了多种传感功能。例如，SparkfunSEN-14348使用了多个传感器以提供挥发性有机化合物的水平以及湿度、温度和大气压的测量数值。

　　相同的基本硬件可以与各种传感器一起使用，以检测不同类型的污染物。

　　5 结论

　　低成本电子传感器可以提供分布式实时空气污染物检测。如果人们可以访问准确且最新的当前信息，则可采取措施以减少暴露于污染环境中。例如，他们可以通过选择更安静的路线，避开繁忙的道路，以减少在交通拥挤地段浪费时间，和避免在户外进行剧烈的运动。

　　我们对技术的依赖造成了这些问题，但是新技术也必须成为解决此问题方案的一部分。

　　（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第06期。）