人們經(jīng)常聽聞室外空氣污染的問題，然而，美國環(huán)境保護署（EPA）表示，美國人有長達 90% 的時間是處於室內(nèi)，大大超過了室外。因此，如果住宅、辦公室、商店、健身房和餐廳內(nèi)的空氣不清新、不乾淨，就可能引發(fā)重大的健康風險。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）資料，在極端情況下，室內(nèi)空氣污染每年導致320多萬人過早死亡。
美國國家環(huán)境健康服務研究所（U.S. National Institute of Environmental Health Services）列出了室內(nèi)污染源，包括建築物內(nèi)的人類活動，如吸煙、燃燒固體燃料、烹飪和清潔；還有來自建築和施工材料、設備和傢俱的水汽；以及生物污染物，如黴菌、病毒或過敏源。
其中許多污染物必定要通過特定的技術才能檢測到。例如，燃氣加熱器產(chǎn)生的一氧化碳是無味的。如果排放得當，這種廢氣是安全的。當突然發(fā)生嚴重洩漏，傳統(tǒng)的一氧化碳報警器會在一氧化碳濃度達到危險程度時發(fā)出警報。可是，如果出現(xiàn)低於傳統(tǒng)報警器閾值的持續(xù)低濃度洩漏，情況就會迅速惡化。雖然這種程度的一氧化碳洩漏不太可能致命，但長期接觸一氧化碳會導致肌肉骨骼損傷、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)路能夠更細緻、更及時地應對潛在的危險，尤其是對於長期、低程度地暴露於污染的情況。無線技術的最新進展為室內(nèi)空氣品質(zhì)測量和監(jiān)測提供了多種可擴展的解決方案。這些技術的進步使我們可以靈活安置各種感測器，獨立於本地IT 網(wǎng)路以外；然後結合感測器資料和智慧分析，便能夠更好地瞭解影響室內(nèi)空氣品質(zhì)的因素。
改善室內(nèi)環(huán)境條件
低功耗藍牙等基礎物聯(lián)網(wǎng)技術，適用於在建築物內(nèi)對空氣進行採樣的小型電池供電感測器；而低功耗Wi-Fi技術則理想用於可充分利用現(xiàn)有Wi-Fi 接入點之空氣品質(zhì)感測器。這兩種技術都能將資料傳輸?shù)劫Y源充足的 Wi-Fi 閘道，而 Wi-Fi 閘道又將資料轉發(fā)到雲(yún)端以供遠端存取。另外，建築物範圍內(nèi)的低功耗藍牙網(wǎng)路可將資料傳輸?shù)椒涑彩轿锫?lián)網(wǎng)閘道，無需使用Wi-Fi即可將資料轉發(fā)到雲(yún)端。
由於無線解決方案不需要佈線，因此很容易整合到新蓋的建築中，或改造加入到現(xiàn)有建築中。由於這些感測器不使用實體電線，可以輕鬆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感測器。
與傳統(tǒng)感測器相比，新一代感測器的主要優(yōu)勢是可以提供連續(xù)的資料流，從而識別特定建築或場所的長期空氣品質(zhì)趨勢，以實現(xiàn)精確的控制。例如，根據(jù)大量的歷史資料，可以在預測花粉數(shù)量較多的夏季自動觸發(fā)額外的空氣淨化，或者在寒冷並且潮濕時增加通風和加熱操作，以阻止黴菌生長。
通過邊緣運算功能，當今的物聯(lián)網(wǎng)設備能夠過濾這些連續(xù)的資料流，只有在需要採取行動改變濕度、溫度、通風或淨化時，才將資訊發(fā)送到智慧手機、閘道或直接發(fā)送到雲(yún)端。這樣可以降低能耗，而且，如果設備使用受管制的無線電頻譜，還可以減少資料費用。
物聯(lián)網(wǎng)可與智慧空氣淨化、過濾系統(tǒng)和智慧供暖、通風和空調(diào)（HVAC）整合，從而實現(xiàn)靈活性和精確性。例如，如果濕度開始上升，導致黴菌滋生，暖通空調(diào)系統(tǒng)就可以加強除濕功能。或者，當感測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，整合系統(tǒng)可以自動加強過濾操作。
VOC廣泛應用於油漆、塗料以及清潔、消毒和除油污產(chǎn)品中，根據(jù)美國環(huán)境保護署（EPA）資料，室內(nèi)的VOC濃度可能比室外高出10倍，並可能導致嚴重的健康問題，包括頭痛、噁心以及對肝臟、腎臟和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的潛在損害。
促進教育部門提升空氣清潔度
商用無線空氣品質(zhì)監(jiān)測解決方案正在進入市場，並取得不錯的成績。例如，紐西蘭的研究表明學生學習效果與室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)相關，促使紐西蘭教育部發(fā)起了Te Haratau 計畫。
AirSuite 的室內(nèi)監(jiān)測器Glance可用於檢測和記錄一系列環(huán)境變數(shù)，這些變數(shù)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 採用一系列感測器來監(jiān)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採用一系列感測器來監(jiān)測二氧化碳、VOC、溫度和濕度。 |
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AirSuite使用Nordic Semiconductor的nRF52840系統(tǒng)單晶片（SoC）提供的低功耗藍牙連接，每分鐘將資料直接傳輸?shù)绞褂谜叩闹腔凼謾C，而Nordic nRF9160系統(tǒng)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 分鐘將相關資料發(fā)送到雲(yún)端。通過專用app和網(wǎng)路平臺，當環(huán)境指標超過或低於預定閾值時，用戶可以進行監(jiān)督和接收通知。
監(jiān)測智慧建築的空氣品質(zhì)
另外，法國物聯(lián)網(wǎng)感測器專業(yè)公司Adeunis開發(fā)專為智慧建築設計的室內(nèi)環(huán)境和空氣品質(zhì)解決方案。COMFORT和COMFORT Serenity設備採用溫度、濕度、二氧化碳和VOC感測器，可向雲(yún)端提供近乎即時的資料。Nordic的nRF9160 SiP為它們提供完善的蜂巢式物聯(lián)網(wǎng)連接，同時支援NB-IoT和LTE-M網(wǎng)路。
| 圖二 : COMFORT Serenity採用 Nordic的nRF9160 SiP，同時支援NB-IoT和LTE-M無線網(wǎng)路。 |
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Adeunis 射頻硬體開發(fā)人員Catalina Raba Mora 解釋道：「高濃度二氧化碳或VOC都會對健康產(chǎn)生不利影響，因而需要進行監(jiān)測並維持安全水準，而通過使用我們的感測器產(chǎn)品，大樓監(jiān)管人員能夠立即獲取可能暴露於高濃度二氧化碳或VOC的重要資料。此外，我們的設備還能通過精確的溫度和濕度測量，確保建築物內(nèi)的住戶獲得舒適的環(huán)境。」
Nordic的nRF9160 SiP具有64 MHz Arm Cortex-M33專用應用處理器，提供充足的處理能力，能夠管理整合在COMFORT和COMFORT Serenity設備中的感測器套件。
| 圖三 : nRF9160 SiP可讓空氣品質(zhì)感測器通過蜂巢網(wǎng)路將資料發(fā)送到雲(yún)端。 |
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兩款Adeunis設備都採用帶有NFC介面的直觀Android應用程式，可簡化網(wǎng)路和應用配置。使用nRF9160 SiP將設備資料傳輸?shù)诫?yún)端後，用戶就可以查看和管理這些資訊。雲(yún)伺服器可以提供有關感測器運行狀態(tài)、電池壽命、網(wǎng)路品質(zhì)和資料接收情況的全面資訊。使用者可以委託他人管理設備，遠端配置設備，並根據(jù)收集到的資料採取必要的措施。
除了檢測二氧化碳和VOC，無線空氣品質(zhì)監(jiān)測還可用於識別室內(nèi)環(huán)境中的其他潛在危險屬性。例如，印度的產(chǎn)品工程服務機構Technosphere代表 P Alert Industries 開發(fā)了預防性解決方案，可讓物業(yè)管理人員和房主檢測建築物內(nèi)是否存在甲基苯丙胺。
如果在物業(yè)內(nèi)檢測到吸入或製造甲基苯丙胺的情況，P Alert Meth Alarm甲基苯丙胺警報器會立即向用戶的智慧手機發(fā)出警報。利用Nordic nRF9160 SiP 提供的蜂巢式物聯(lián)網(wǎng)連接，可將警報和即時甲基苯丙胺含量報告轉發(fā)到相關的安全雲(yún)端平臺。這款解決方案提供持續(xù)監(jiān)控，使用者可以設置檢測頻率。
新一代無線技術最佳化健康狀況
根據(jù) Markets and Markets報告，全球空氣品質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)市場預計到2028年將達到69 億美元，下一步是推出全新一代無線 SoC。Nordic多協(xié)定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（專為PSA Level 3設計），並通過高整合度降低了總體材料成本（BoM）。
nRF54L15可以支援包括藍牙 5.4、藍牙 NLC/Mesh 1.1、Matter、KNX IoT 等多種協(xié)定，是低功耗、成本最佳化型終端設備的理想選擇。nRF54H20則適用於需要更強處理能力且不影響功耗的高階設備或單晶片閘道應用（例如與用於 Wi-Fi 的 nRF7002協(xié)同IC 相結合）。
| 圖四 : nRF54H20適用於需要更強處理能力且不影響功耗的高等空氣品質(zhì)感測器。 |
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這兩款SoC 都有充足的資源來支援機器學習（ML）。此類 SoC 可以使用長期收集的空氣品質(zhì)資料來訓練ML模型。然後將這些模型應用於感測器，進而有助於智慧化調(diào)整大樓系統(tǒng)和暖通空調(diào)系統(tǒng)，使得居住者獲得最佳的健康條件和舒適度。
例如，大樓系統(tǒng)可以根據(jù)特定事件自動調(diào)整設置，如在一天中的特定時間，根據(jù)預期的大樓佔用率增加情況開啟空氣淨化器或除濕器，然後在人們離開大樓時關閉設備。這樣的設備最佳化可以在不必使用時關機，從而降低能耗，同時為居住者精心營造舒適的室內(nèi)環(huán)境。
通過將機器學習進一步整合到無線空氣品質(zhì)監(jiān)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(nèi)場所帶來清新的空氣。
（本文作者Lorenzo Amicucci為Nordic Semiconductor業(yè)務發(fā)展經(jīng)理）
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