個性化的空氣質(zhì)量測量 全靠先進的PM2.5和VOC傳感器技術(shù)

近些年,隨著人們對環(huán)境保護的重視及對自身健康提升的不斷追求,空氣質(zhì)量已經(jīng)成為了熱點話題。然而目前我們能查看到的空氣檢測數(shù)據(jù)都是基于較大范圍的測量而非個性化的,此文就著重介紹能夠為用戶提供更小范圍周圍空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的技術(shù)和原理。空氣污染測量的兩個重要指標(biāo)是2.5微米或更小的微粒物質(zhì)(PM2.5)和揮發(fā)性有機化合物(VOC)。例如,壁爐和蠟燭在燃燒過程中便會在室內(nèi)空間釋放這類物質(zhì)。日常物品,例如清潔用品、家具或紡織品也可能排放VOC。通過全新PM2.5和VOC傳感技術(shù),則能夠?qū)崿F(xiàn)個性化空氣質(zhì)量監(jiān)測,從而改善人們的健康。

個性化PM2.5監(jiān)測

我們知道,暴露在顆粒物環(huán)境中會導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問題,世界衛(wèi)生組織(WHO)稱:“通過改善空氣質(zhì)量,各國可以降低中風(fēng)、心臟病、肺癌,以及慢性和急性呼吸系統(tǒng)疾病,包括哮喘的發(fā)病率^[i]。”

雖然所有粒徑的顆粒物都具有危害性,但對人類健康影響最大的依然是PM2.5范圍內(nèi)^[ii],即直徑小于2.5 μm的顆粒物。這些微小的PM2.5顆粒很容易進入肺部深處,并導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問題。盡管研究仍在進行中,但有證據(jù)表明,暴露在PM2.5環(huán)境中可能與對病毒性疾病(包括SARS-CoV-2在內(nèi))的敏感性有關(guān),如哈佛大學(xué)最近的一項研究所述^[iii]。

官方空氣質(zhì)量監(jiān)測站僅提供室外環(huán)境的合并或平均數(shù)據(jù),而并不包含相應(yīng)的室內(nèi)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。這些檢測站無法生成個性化信息,僅會測量一段時間內(nèi)所在地附近的平均空氣質(zhì)量,因此缺乏實時效應(yīng),無法用于跟蹤我們周圍多變的環(huán)境狀況,或監(jiān)測當(dāng)?shù)豍M水平的波動。

用于空氣污染測量的便攜式空氣質(zhì)量測量設(shè)備或劑量計(例如裝于我們的智能手機或可穿戴設(shè)備中)可以解決此問題。到目前為止,對于移動設(shè)備而言,PM2.5傳感器的尺寸依然過大。Bosch Sensortec最近開發(fā)了一種傳感器技術(shù),可監(jiān)測個人暴露在空氣污染中的程度。

借助全新博世PM2.5技術(shù),如今能夠?qū)M2.5感應(yīng)功能集成于移動設(shè)備中,以測量一個人每天的PM暴露量。用戶可以查看自己所在地空氣污染水平的數(shù)據(jù)和趨勢。通過例如智能手機監(jiān)控個人在空氣污染環(huán)境中的暴露程度,用戶可獲得可靠、透明的信息,從而采取行動,并根據(jù)WHO空氣質(zhì)量準(zhǔn)則將其PM2.5暴露程度降至最低^[iv]。

例如,圖1展示了與BreezoMeter公司合作打造的PM2.5劑量計演示應(yīng)用程序。Dosimeter App通過將使用博世PM 2.5傳感器技術(shù)在本地測量的PM數(shù)據(jù),與BreezoMeter空氣污染數(shù)據(jù)彼此結(jié)合,來計算個人每天的PM暴露量。

圖1:   顆粒測量劑量計

微粒傳感器技術(shù)

常規(guī)的光學(xué)消費電子PM傳感器依靠內(nèi)置風(fēng)扇將空氣抽吸通過一個測量單元,由此記錄顆粒數(shù),并計算每單位體積的顆粒濃度。這種方法的問題在于,此類傳感器的物理尺寸非常大,通常近乎火柴盒大小,因此無法應(yīng)用在平板便攜式設(shè)備,諸如智能手機中。

Bosch Sensortec最近開發(fā)的獨特PM傳感器技術(shù)僅需要自然的環(huán)境氣流即可展開測量。其原理類似照相機,在一個玻璃蓋后側(cè)集成了三個1級人眼安全激光器,與智能手機中的照相機十分相似。

這種新穎的方法使Bosch Sensortec能夠開發(fā)出物理尺寸大大縮小的PM感應(yīng)解決方案,體積約是市場上其他解決方案的五百分之一(0.2%)。其尺寸已縮減至類似火柴頭大小,這使此項新技術(shù)非常適合消費類設(shè)備中的個性化PM2.5測量。它具有低功耗、免維護的特點,并可集成到防水應(yīng)用中。

VOC檢測

揮發(fā)性有機化合物(VOC)是另一個必須關(guān)注的空氣污染問題,這是可在任何房間出現(xiàn)的一組范圍廣泛的化學(xué)反應(yīng)性氣體。人們通常90%的時間都在室內(nèi)度過,因此室內(nèi)環(huán)境空氣中VOC的濃度會對我們的健康造成巨大影響。

VOC傳感器可以檢測建筑物內(nèi)和室外的各種氣體,包括(氫)碳化合物(例如酒精或CO)、硫化物(會引起難聞的氣味,例如H₂S)和溶劑(例如丙酮)。這些可能來自油漆、清漆或清潔劑。在智能家居中,VOC信息可幫助操控多種設(shè)備,例如打開和關(guān)閉廚房抽油煙機或啟動空氣凈化器。另外,這些信息可用于生成警報,例如火災(zāi)檢測,甚至是識別冰箱中的食物變質(zhì)。VOC數(shù)據(jù)也可以與其他物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用配合使用,例如基于空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)優(yōu)化辦公樓的通風(fēng)。

圖2:VOC和PM2.5對空氣質(zhì)量的影響

為測量VOC,博世開發(fā)出一款緊湊型高性能氣體傳感器。BME680是世界上最小的解決方案,提供4合1空氣質(zhì)量監(jiān)測功能。它可以測量環(huán)境溫度、大氣壓力、相對濕度和氣體,并擁有3 x 3 x 0.93 mm³尺寸封裝,可在低于0.1 mA的超低功率范圍內(nèi)運行。

該傳感器能夠區(qū)分新鮮空氣(即清潔空氣,主要是氮氣、氧氣和濕氣)和使用過的帶有其他污染物的空氣。通常,如果有人在房間中,呼氣是造成空氣質(zhì)量下降的最重要原因之一。了解周圍空氣中的呼氣量有助于優(yōu)化通風(fēng),從而降低諸如SARS-CoV-2等病毒的空氣傳播機率^[v]。

 智能軟件將收集到的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對用戶有用的信息輸出。通過將現(xiàn)代氣體傳感技術(shù)與人工智能(AI)相結(jié)合,可以識別和分類不同的環(huán)境條件,從而實現(xiàn)眾多全新應(yīng)用。

讓我們以森林氣候測繪和早期森林火災(zāi)風(fēng)險評估這一高級用例進行說明。首先,傳感器網(wǎng)絡(luò)通過實時監(jiān)測所有環(huán)境活動測繪整個區(qū)域。其次,機器學(xué)習(xí)以原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型,由此對不同情況進行分類和預(yù)測,并評估各自風(fēng)險。最后,終端人工智能使最終產(chǎn)品能夠匹配各個用戶的特定區(qū)域條件,并降低功耗。

圖3:森林氣候用例示圖

另一個用例為確定何時需要為嬰兒更換尿布。傳感器硬件可以測量溫度、壓力、濕度和氣體,但父母并不需要如此詳細(xì)的信息,他們只需要知道何時應(yīng)采取行動。由于20歲以上的人口中約有19 %患有嗅覺障礙,因此這些基本信息可以幫助他們在一定程度上提升生活質(zhì)量^[vi]。通過機器學(xué)習(xí)開發(fā)的數(shù)學(xué)模型能夠用于將原始傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為簡單的狀態(tài)指示,并通過人工智能對模型進行微調(diào)。 

圖.4:尿布用例示圖

博世正在進一步擴展氣體傳感器的范圍,以增加新功能并實現(xiàn)新用例。全新氣體傳感技術(shù)將包括更先進的軟件和更廣泛的氣體檢測功能。例如,氣體傳感器可以檢測不同的氣體成分,通過與參考數(shù)據(jù)進行對比,識別單獨氣味(圖5)。潛在的用例包括監(jiān)視公共場所的清潔狀況、對口臭進行分類,或監(jiān)測食物變質(zhì)。

圖5:環(huán)境感應(yīng)檢測不同氣體成分

結(jié)語

通過生成準(zhǔn)確、實時、個性化的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),全新傳感器技術(shù)將改變我們評估周圍空氣質(zhì)量的方式,幫助我們做出回應(yīng)。我們將能夠更好地規(guī)劃何時出門,調(diào)整通勤或戶外體育活動的時間,或通過控制通風(fēng)并避免產(chǎn)生顆粒來調(diào)節(jié)室內(nèi)的空氣質(zhì)量。如加以調(diào)整,這項技術(shù)也將有助于我們做出明智的決定,例如搬遷至哪個地區(qū)或決定去哪里度假。隨著人們對環(huán)境和自身健康關(guān)注意識的提升,對空氣質(zhì)量應(yīng)用的需求在未來將繼續(xù)增長。

博世空氣質(zhì)量傳感技術(shù)體積極小,可在智能手機等平板便攜式設(shè)備中使用,而且其成本同樣可滿足批量生產(chǎn)需求。

引用

[i] WHO, ‘Ambient (outdoor) air pollution’, https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health

[ii] Department for Environment Food & Rural Affairs, Public Health: ‘Sources and Effects of PM2.5’,  https://laqm.defra.gov.uk/public-health/pm25.html

[iii] Harvard University, ‘Linking Air Pollution to Higher Coronavirus Death Rates’, https://www.hsph.harvard.edu/biostatistics/2020/04/linking-air-pollution-to-higher-coronavirus-death-rates/

[iv] https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health

[v] Environment international: “Airborne transmission of SARS-CoV-2: The world should face the reality”, 2020.

[vi] Harvard Medical School: “Smell disorders: When your sense of smell goes astray”, 2018.