以无线物联网系统监测确保室内空气质量

人们经常听闻室外空气污染的问题，然而，美国环境保护署（EPA）表示，美国人有长达 90% 的时间是处于室内，大大超过了室外。因此，如果住宅、办公室、商店、健身房和餐厅内的空气不清新、不干净，就可能引发重大的健康风险。根据世界卫生组织（WHO）数据，在极端情况下，室内空气污染每年导致320多万人过早死亡。
美国国家环境健康服务研究所（U.S. National Institute of Environmental Health Services）列出了室内污染源，包括建筑物内的人类活动，如吸烟、燃烧固体燃料、烹饪和清洁；还有来自建筑和施工材料、设备和家具的水汽；以及生物污染物，如霉菌、病毒或过敏源。
其中许多污染物必定要通过特定的技术才能检测到。例如，燃气加热器产生的一氧化碳是无味的。如果排放得当，这种废气是安全的。当突然发生严重泄漏，传统的一氧化碳报警器会在一氧化碳浓度达到危险程度时发出警报。可是，如果出现低于传统报警器阈值的持续低浓度泄漏，情况就会迅速恶化。虽然这种程度的一氧化碳泄漏不太可能致命，但长期接触一氧化碳会导致肌肉骨骼损伤、疲劳和记忆力减退等严重症状。
幸运的是，物联网（IoT）提供了解决方案。物联网网络能够更细致、更及时地应对潜在的危险，尤其是对于长期、低程度地暴露于污染的情况。无线技术的最新进展为室内空气质量测量和监测提供了多种可扩展的解决方案。这些技术的进步使我们可以灵活安置各种传感器，独立于本地IT 网络以外；然后结合传感器数据和智能分析，便能够更好地了解影响室内空气质量的因素。


改善室内环境条件
低功耗蓝牙等基础物联网技术，适用于在建筑物内对空气进行采样的小型电池供电传感器；而低功耗Wi-Fi技术则理想用于可充分利用现有Wi-Fi 接入点之空气质量传感器。这两种技术都能将数据传输到资源充足的 Wi-Fi 网关，而 Wi-Fi 网关又将数据转发到云端以供远程访问。另外，建筑物范围内的低功耗蓝牙网络可将数据传输到蜂巢式物联网网关，无需使用Wi-Fi即可将数据转发到云端。
由于无线解决方案不需要布线，因此很容易整合到新盖的建筑中，或改造加入到现有建筑中。由于这些传感器不使用实体电线，可以轻松巧妙地安放在需要的位置；例如，可以在矿物燃料加热器附近或空气流通不畅的房间安装一氧化碳传感器。
与传统传感器相比，新一代传感器的主要优势是可以提供连续的数据流，从而识别特定建筑或场所的长期空气质量趋势，以实现精确的控制。例如，根据大量的历史资料，可以在预测花粉数量较多的夏季自动触发额外的空气净化，或者在寒冷并且潮湿时增加通风和加热操作，以阻止霉菌生长。
通过边缘运算功能，当今的物联网设备能够过滤这些连续的数据流，只有在需要采取行动改变湿度、温度、通风或净化时，才将信息发送到智能手机、网关或直接发送到云端。这样可以降低能耗，而且，如果设备使用受管制的无线电频谱，还可以减少数据费用。
物联网可与智能空气净化、过滤系统和智能供暖、通风和空调（HVAC）整合，从而实现灵活性和精确性。例如，如果湿度开始上升，导致霉菌滋生，暖通空调系统就可以加强除湿功能。或者，当传感器在空气中检测到二氧化碳、挥发性有机化合物（VOC）（这是空气中对人体健康威胁最大的物质之一）或其他污染物时，整合系统可以自动加强过滤操作。
VOC广泛应用于油漆、涂料以及清洁、消毒和除油污产品中，根据美国环境保护署（EPA）资料，室内的VOC浓度可能比室外高出10倍，并可能导致严重的健康问题，包括头痛、恶心以及对肝脏、肾脏和中枢神经系统的潜在损害。


促进教育部门提升空气清洁度
商用无线空气质量监测解决方案正在进入市场，并取得不错的成绩。例如，新西兰的研究表明学生学习效果与室内环境质量相关，促使新西兰教育部发起了Te Haratau 计划。

AirSuite 的室内监测器Glance可用于检测和记录一系列环境变量，这些变量可能影响商业、工业和家庭环境中人们的健康和工作效率。AirSuite Glance 采用一系列传感器来监测二氧化碳、VOC、温度和湿度，以及声音、光照度和气压。

 
图一 : AirSuite Glance采用一系列传感器来监测二氧化碳、VOC、温度和湿度。

AirSuite使用Nordic Semiconductor的nRF52840系统单芯片（SoC）提供的低功耗蓝牙连接，每分钟将数据直接传输到用户的智能手机，而Nordic nRF9160系统级封装（SiP）则提供LTE-M 或 NB-IoT（蜂巢式物联网）连接，至少每 15 分钟将相关数据发送到云端。通过专用app和网络平台，当环境指标超过或低于预定阈值时，用户可以进行监督和接收通知。

监测智能建筑的空气质量
另外，法国物联网传感器专业公司Adeunis开发专为智慧建筑设计的室内环境和空气质量解决方案。COMFORT和COMFORT Serenity设备采用温度、湿度、二氧化碳和VOC传感器，可向云端提供近乎实时的数据。Nordic的nRF9160 SiP为它们提供完善的蜂巢式物联网连接，同时支持NB-IoT和LTE-M网络。

 
图二 : COMFORT Serenity采用 Nordic的nRF9160 SiP，同时支持NB-IoT和LTE-M无线网络。

Adeunis 射频硬件开发人员Catalina Raba Mora 解释道：「高浓度二氧化碳或VOC都会对健康产生不利影响，因而需要进行监测并维持安全水平，而通过使用我们的传感器产品，大楼监管人员能够立即获取可能暴露于高浓度二氧化碳或VOC的重要数据。此外，我们的设备还能通过精确的温度和湿度测量，确保建筑物内的住户获得舒适的环境。」
Nordic的nRF9160 SiP具有64 MHz Arm Cortex-M33专用应用处理器，提供充足的处理能力，能够管理整合在COMFORT和COMFORT Serenity设备中的传感器套件。

 
图三 : nRF9160 SiP可让空气质量传感器通过蜂巢网络将数据发送到云端。

两款Adeunis设备都采用带有NFC界面的直观Android应用程序，可简化网络和应用配置。使用nRF9160 SiP将设备数据传输到云端后，用户就可以查看和管理这些信息。云服务器可以提供有关传感器运行状态、电池寿命、网络质量和数据接收情况的全面信息。用户可以委托他人管理设备，远程配置设备，并根据收集到的资料采取必要的措施。
除了检测二氧化碳和VOC，无线空气质量监测还可用于识别室内环境中的其他潜在危险属性。例如，印度的产品工程服务机构Technosphere代表 P Alert Industries 开发了预防性解决方案，可让物业管理人员和房主检测建筑物内是否存在甲基苯丙胺。
如果在物业内检测到吸入或制造甲基苯丙胺的情况，P Alert Meth Alarm甲基苯丙胺警报器会立即向用户的智能手机发出警报。利用Nordic nRF9160 SiP 提供的蜂巢式物联网连接，可将警报和实时甲基苯丙胺含量报告转发到相关的安全云端平台。这款解决方案提供持续监控，用户可以设置检测频率。


新一代无线技术优化健康状况
根据 Markets and Markets报告，全球空气质量监测系统市场预计到2028年将达到69 亿美元，下一步是推出全新一代无线 SoC。Nordic多协议SoC产品nRF54H20和 nRF54L15就是主要的示例。这些 SoC 降低了功耗，提高了安全性（专为PSA Level 3设计），并通过高整合度降低了总体材料成本（BoM）。
nRF54L15可以支持包括蓝牙 5.4、蓝牙 NLC/Mesh 1.1、Matter、KNX IoT 等多种协定，是低功耗、成本优化型终端设备的理想选择。nRF54H20则适用于需要更强处理能力且不影响功耗的高阶设备或单芯片网关应用（例如与用于 Wi-Fi 的 nRF7002协同IC 相结合）。

 
图四 : nRF54H20适用于需要更强处理能力且不影响功耗的高等空气质量传感器。

这两款SoC 都有充足的资源来支持机器学习（ML）。此类 SoC 可以使用长期收集的空气质量数据来训练ML模型。然后将这些模型应用于传感器，进而有助于智能化调整大楼系统和暖通空调系统，使得居住者获得最佳的健康条件和舒适度。
例如，大楼系统可以根据特定事件自动调整设置，如在一天中的特定时间，根据预期的大楼占用率增加情况开启空气净化器或除湿器，然后在人们离开大楼时关闭设备。这样的设备优化可以在不必使用时关机，从而降低能耗，同时为居住者精心营造舒适的室内环境。
通过将机器学习进一步整合到无线空气质量监测中，有望提供更强大的预测性洞察力，协助做出明智的决策，为人们改善健康。最终，物联网解决方案将为人们生活的所有室内场所带来清新的空气。
（本文作者Lorenzo Amicucci为Nordic Semiconductor业务发展经理）