通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)檢測(cè)全球健康狀態(tài)和環(huán)境監(jiān)測(cè)

世界衛(wèi)生組織 (WHO) 等組織認(rèn)為顆粒物、臭氧和氧化氮 (NOx) 等污染物與疾病和不斷攀升的早期死亡率之間存在聯(lián)系，空氣質(zhì)量因而成為其最受關(guān)注的課題之一?？諝馕廴臼?WHO 在其全球疾病負(fù)擔(dān)評(píng)估中包含的 10 大環(huán)境因素之一，這項(xiàng)評(píng)估提供了一個(gè)平臺(tái)用于監(jiān)測(cè)全球不同地區(qū)的公共衛(wèi)生狀況并幫助確定合適的應(yīng)對(duì)措施。借助此項(xiàng)目，WHO 已經(jīng)能夠評(píng)估可通過改善環(huán)境加以預(yù)防的全球疾病比例，并且發(fā)布了 192 個(gè)成員國(guó)的國(guó)家概況。

城市地區(qū)面臨空氣質(zhì)量問題的可能性最大。WHO 認(rèn)為，如果能夠降低各種健康風(fēng)險(xiǎn)，包括環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及營(yíng)養(yǎng)和潔凈用水等其他因素，世界貧困地區(qū)的人均預(yù)期壽命有望延長(zhǎng) 10 年之多。即使在西歐等更發(fā)達(dá)的地區(qū)，WHO 認(rèn)為也能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步延長(zhǎng) 5 年的人均預(yù)期壽命。因此，全球許多團(tuán)體和社團(tuán)都在堅(jiān)持不懈地開展研究和投入工作，借此緩解全球的疾病負(fù)擔(dān)。

在歐洲、北美和部分亞洲地區(qū)，已經(jīng)出臺(tái)了一些非常完善的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和改善計(jì)劃。例如，歐盟針對(duì)空氣質(zhì)量問題采取的行動(dòng)中包括一項(xiàng)“歐洲清潔空氣計(jì)劃”，2013 年頒布的新政策對(duì)此給予了有力的支持，其中包含了各種旨在減少汽車和其他燃燒過程排放物的舉措。歐洲環(huán)境署 (EEA) 維護(hù)了一個(gè)被稱為 Airbase 的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)，供公眾獲取根據(jù)歐盟內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所獲取的數(shù)據(jù)得出的結(jié)果。而在世界其他地區(qū)，空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)力度相對(duì)較弱。世界上很多地方還有改善空間，而且人們對(duì)于采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的興趣也日益濃厚。

更普遍的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)

不論從較低還是較高的基數(shù)，成本都是阻礙擴(kuò)大空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)規(guī)模的重要因素之一。一個(gè)合乎法規(guī)要求的高質(zhì)量空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站的成本可能高達(dá)數(shù)萬(wàn)美元。它們往往設(shè)計(jì)為長(zhǎng)期使用（十年甚至更久），并且可能體積龐大，在需要時(shí)很難移到其他位置。如果在空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中僅僅安裝少量監(jiān)測(cè)站，那么收集到的數(shù)據(jù)量將很有限。必須進(jìn)行非常廣泛的建模和外推才有可能得出更大區(qū)域的結(jié)論。

另一方面，對(duì)于價(jià)格不超過幾千美元（有時(shí)還要低得多）的監(jiān)測(cè)站而言，也有適合其的更為小巧便攜的傳感器，但準(zhǔn)確性和精度將會(huì)有所下降。它們的運(yùn)行成本可能較低，因?yàn)橐恍┰O(shè)備只需要更換電池即可，而且工作壽命往往比合乎法規(guī)要求的較大型監(jiān)測(cè)站更短。

更低成本的傳感器的出現(xiàn)，加上物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的興起，可以給空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)方法帶來(lái)轉(zhuǎn)變?？梢栽谳^大型基準(zhǔn) AQMS 設(shè)備之間的位置插入額外的檢測(cè)站，從而提高數(shù)據(jù)的可靠性，以及建模和外推的準(zhǔn)確性。這些可以是小型、半永久性或便攜式監(jiān)測(cè)站，這類監(jiān)測(cè)站易于搭建，并且可以非常快速地做好準(zhǔn)備，開始收集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。

但我們知道，大型傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)生成海量數(shù)據(jù)，給傳統(tǒng)的收集和分析方法帶來(lái)挑戰(zhàn)。這種情況下，IoT 技術(shù)可通過簡(jiǎn)化從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站捕獲數(shù)據(jù)的過程，降低操作成本，以及利用云計(jì)算資源來(lái)處理、分析和報(bào)告生成的信息，提供有效的解決方案。

另外值得一提的是，較小規(guī)模的政府當(dāng)局和 NGO（非政府組織）可利用低成本的檢測(cè)站和較小規(guī)模的云平臺(tái)來(lái)建立較小規(guī)?；蚓植炕谋O(jiān)測(cè)方案。例如，靠近工廠、學(xué)?；蚪煌狳c(diǎn)地區(qū)，用于執(zhí)法或游說(shuō)用途的監(jiān)測(cè)站。

削減傳感器和電路成本

新的制造技術(shù)可以降低傳感器的成本，同樣有助于擴(kuò)大空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站的部署。 SPEC Sensors 開發(fā)了一種絲網(wǎng)印刷電化工藝，可批量制造適用于小型封裝的高性能、低功耗的傳感器，且成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的機(jī)電傳感器。其中幾種演化產(chǎn)品可用于測(cè)量臭氧、甲烷、氧化氮、一氧化碳、硫化氫、正庚烷和氯氣等污染物。它們分別具有緊湊的 20 mm x 20 mm 方形外形，高度僅為 3 mm，帶有中央進(jìn)氣孔，并且可在健康或住宅空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中使用，也可以用于工業(yè)監(jiān)測(cè)。它們出廠前經(jīng)過校準(zhǔn)，具有 10 年的預(yù)期使用壽命。

關(guān)于機(jī)電式傳感器的使用，值得提出的重要一點(diǎn)是，除了要確保檢測(cè)面可抵御灰塵和油污等污染物的污染之外，還應(yīng)謹(jǐn)慎地選擇外殼材料。使用某些塑料（例如 ABS）可能會(huì)由于吸收氣體分子而降低傳感器的響應(yīng)。如有可能，建議盡量使用不銹鋼或聚丙烯等材料，并將 EPDM（乙烯丙烯二烯單體 [M 類] 橡膠）等惰性材料用于任何密封件或隔板。

機(jī)電式傳感器是包含工作（檢測(cè)）電極、對(duì)電極和基準(zhǔn)電極的三維器件。工作電極包含配制的與被檢測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)的催化劑材料，因此可產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電流。恒電位儀電路用于控制工作電極的電勢(shì)，并將生成的電流轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓。圖 1 顯示了 SPEC Sensors 所建議的示例電路。

圖 1： 用于測(cè)量電化氣體傳感器響應(yīng)的恒電位儀電路。

TI 創(chuàng)建了一套氣體傳感器參考設(shè)計(jì)和評(píng)估套件，使用 LMP91000 模擬前端 (AFE) IC 與機(jī)電傳感器接口。此器件包含集成的跨阻放大器 (TIA)，利用該器件可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，并允許對(duì)偏置電壓和 TIA 基準(zhǔn)電壓等重要參數(shù)進(jìn)行編程，而無(wú)需使用外部電阻器。此外還包含了一種實(shí)用附件 — 溫度傳感器，因?yàn)榄h(huán)境溫度可能會(huì)影響工作電極的響應(yīng)。圖 2 說(shuō)明了此集成解決方案如何化解設(shè)計(jì)傳感器 AFE 所面臨的挑戰(zhàn)。

圖 2： LMP91000 簡(jiǎn)化了機(jī)電傳感器與電子監(jiān)測(cè)電路的接口。

使用 TI 參考設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是，該套件采用了低功耗藍(lán)牙? 技術(shù)，可運(yùn)用 CC2541 2.4 GHz 無(wú)線電 IC。此外還提供了一款移動(dòng)應(yīng)用程序，以便用戶能夠立即開始收集傳感器數(shù)據(jù)，并在平板電腦或智能手機(jī)上分析結(jié)果。該應(yīng)用程序會(huì)對(duì)通過 LMP91000 AFE 收集的原始數(shù)據(jù)執(zhí)行必要的后處理，并通過 CC2541 進(jìn)行數(shù)字化和傳輸。

總結(jié)

IoT 提供了難得的機(jī)遇，以高成本效益的方式大幅擴(kuò)充空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，具體取決于價(jià)格實(shí)惠且易于部署的新一代檢測(cè)站的供應(yīng)情況。利用最新的傳感器和 IC 技術(shù)，可以開發(fā)出低成本的小型傳感器模塊，用于檢測(cè)全球健康和環(huán)境監(jiān)測(cè)計(jì)劃都高度關(guān)注的臭氧、甲烷和 NOx 等污染物。這些模塊通過實(shí)現(xiàn)更普遍的監(jiān)測(cè)來(lái)收集可靠的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，可以在幫助預(yù)防與較差的戶外空氣質(zhì)量相關(guān)的疾病以及延長(zhǎng)世界各地的人均預(yù)期壽命方面發(fā)揮重要作用。