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(jī)

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摘要：現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)造成的污染已成為非常嚴(yán)重的問(wèn)題。本文著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(jiān)測(cè);網(wǎng)絡(luò);傳感器

空氣污染會(huì)導(dǎo)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(xiǎn)。在世界范圍內(nèi)，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(wèi)生組織（ WHO）規(guī)定的地方。最危險(xiǎn)人群為幼年、老年和具有健康問(wèn)題的人士。在戶外工作或從事體育活動(dòng)的人們，也面臨更高的風(fēng)險(xiǎn)。

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(nèi)轉(zhuǎn)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(guó)家已經(jīng)計(jì)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(zhǎng)的時(shí)間，并且更換所有現(xiàn)有車輛則將花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。

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

辦公大樓已應(yīng)用無(wú)源紅外（ PIR）傳感器來(lái)判斷建筑物的每個(gè)區(qū)域中是否有人，并相應(yīng)地調(diào)整照明和供暖。添加C02傳感器則將使建筑物的決策更加準(zhǔn)確和智能，并可進(jìn)一步地節(jié)省能源。

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

2 污染監(jiān)測(cè)

需要精確地監(jiān)測(cè)污染。如果每個(gè)人都知道當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量狀況，則他們可以采取合適的行動(dòng)以減小影響。例如，避開最繁忙的道路可使您所遭受的污染程度減半。

對(duì)在更大區(qū)域內(nèi)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)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)校和工廠的未來(lái)規(guī)劃決策，提供有效參考。

過(guò)去，精確的測(cè)量需要昂貴且笨重的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。但現(xiàn)在有許多類型的傳感器可用作小型電子設(shè)備。這包括：

.光學(xué)顆粒計(jì)數(shù)器，通過(guò)檢測(cè)顆粒散射的光來(lái)檢測(cè)顆粒的污染程度。

.光學(xué)傳感器通過(guò)測(cè)量紅外光的吸收，來(lái)檢測(cè)CO和C02等氣體。

.金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器通過(guò)改變半導(dǎo)體層的電導(dǎo)，來(lái)檢測(cè)氣體的存在。

與微控制器綜合使用，它們可用于構(gòu)建小型低成本的設(shè)備，以監(jiān)控和跟蹤污染水平。稍后將說(shuō)明此種系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)。

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

3 污染類型及其健康風(fēng)險(xiǎn)

在許多城市，空氣污染的最大來(lái)源為汽車。車輛產(chǎn)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(huì)影響呼吸和心臟功能。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)特別令人關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)樗€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(xiàn)，尤其是當(dāng)它有助于形成煙霧時(shí)。在其他情況下，它則是不可見的，只能使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備進(jìn)行測(cè)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（稱為PM2.5）形成最大的問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兛梢陨钊氲饺梭w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(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性的有機(jī)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(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以設(shè)計(jì)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析空氣質(zhì)量的設(shè)備（圖1）。設(shè)備可以顯示來(lái)自一個(gè)或多個(gè)傳感器的檢測(cè)結(jié)果。這可使用便捷的數(shù)字LED顯示所檢測(cè)的污染水平，或者使用LCD觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)更詳細(xì)的信息顯示和用戶交互功能。

由于設(shè)備上的存儲(chǔ)空間有限，并且為了能夠共享和集成來(lái)自多個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，設(shè)備將使用Wi-Fi連接將數(shù)據(jù)上傳到云中。

當(dāng)檢測(cè)的特定污染物達(dá)到預(yù)設(shè)水平時(shí)，設(shè)備則會(huì)發(fā)出警報(bào)?？梢愿鶕?jù)個(gè)人的需要設(shè)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(bào)閾值也可被用于控制另一個(gè)系統(tǒng)。例如，它可以打開通風(fēng)系統(tǒng)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(xì)的數(shù)據(jù)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(shè)備或計(jì)算機(jī)對(duì)結(jié)果進(jìn)行訪問(wèn)。

合適的微控制器板由半導(dǎo)體供應(yīng)商和第三方進(jìn)行出售。有許多事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，例如Arduino，它們規(guī)定了外形尺寸、接口、管腳等等。這導(dǎo)致了兼容子系統(tǒng)、開發(fā)工具和應(yīng)用軟件的爆炸式增長(zhǎng)。并可從供應(yīng)商和社區(qū)獲得支持。這使得原型化新產(chǎn)品構(gòu)思既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)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(xiàn)成的模塊提供給客戶，它們具有標(biāo)準(zhǔn)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(cè)揮發(fā)性有機(jī)化合物的金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）傳感器。它可檢測(cè)苯和類似的化合物。它提供了代表檢測(cè)到污染物水平的模擬電壓輸出。盡管響應(yīng)是非線性的，但可以通過(guò)微控制器上運(yùn)行的軟件將其轉(zhuǎn)換為1.0×10^-6級(jí)的數(shù)值。采用非分散紅外（ NDIR）感測(cè)，通過(guò)測(cè)量LED吸收的紅外光來(lái)確定CO，的濃度。

同樣來(lái)自DFROBOT的SEN0177（圖4）使用激光散射來(lái)測(cè)量PM2.5塵埃顆粒的濃度。這使用串行接口將顆粒計(jì)數(shù)傳輸?shù)轿⒖刂破鳌?/p>

一些模塊結(jié)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(jī)化合物的水平以及濕度、溫度和大氣壓的測(cè)量數(shù)值。

相同的基本硬件可以與各種傳感器一起使用，以檢測(cè)不同類型的污染物。

5 結(jié)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(cè)。如果人們可以訪問(wèn)準(zhǔn)確且最新的當(dāng)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，避開繁忙的道路，以減少在交通擁擠地段浪費(fèi)時(shí)間，和避免在戶外進(jìn)行劇烈的運(yùn)動(dòng)。

我們對(duì)技術(shù)的依賴造成了這些問(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。