核心揭秘 - 核心揭秘：從一臺個人空氣質量監(jiān)測儀到智能手表

　　核心揭秘

　　經(jīng)過半年的研究，姜小凡領導的這個團隊已初步開發(fā)出一種希望不超過200元人民幣的便攜式個人空氣質量監(jiān)測儀（Pervasive Air-Quality Monitoring，PAM），如圖3所示。并計劃將來布置在北京城區(qū)和郊區(qū)的2000個監(jiān)測點，以便讓用戶隨時隨地了解身邊的空氣質量情況。

　　圖3 姜小凡領導的研究團隊正在開發(fā)的一種物美價廉的便攜式個人空氣質量監(jiān)測儀（Pervasive Air-Quality Monitoring，PAM）

　　終端方面，在PAM兩側的風道處布置了2個較便宜的PPD42N灰塵傳感器，以得到原始的粒子數(shù)量的數(shù)據(jù)，再用2個Arduino控制器對這些數(shù)據(jù)進行本地過濾（見圖4A）。

　　圖4 數(shù)據(jù)本地過濾（A）、與環(huán)境相關的校正曲線（B）、用基準曲線重估的空氣質量指數(shù)（C）

　　PAM自帶一個網(wǎng)頁服務器，用戶在電腦上輸入PAM的IP地址后，可以在本地實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。網(wǎng)頁服務器還會每隔一分鐘通過以太網(wǎng)口把本地測量的數(shù)據(jù)推送到云端，后臺云端會不斷地收集所有2000個PAM實時上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)并進行過濾。盡管這些數(shù)據(jù)不是很精確，但通過參考這些PAM所在位置的溫度、濕度、大氣壓力和高度等信息，及研究小組開發(fā)的算法，可以建立空氣質量的多維統(tǒng)計模型。目前初級階段的模型只是個二維地圖。

　　此外，在北京還用100多個Dylos設備，設置了一些測量相對更可靠的點。統(tǒng)計模型對于這些相對更可靠測量點的數(shù)據(jù)給予較高的置信度，對于PAM測量的不太精確的數(shù)據(jù)給予較低的置信度。上面所有的測試點有室內或室外之分，可由智能手機中的接近式傳感器區(qū)分出來（見圖5）。室外的數(shù)據(jù)可以進行簡單加權平均，而室內的分析方法有些復雜。綜合所有這些精確和不精確的數(shù)據(jù)信息，可分別畫出室內或室外與環(huán)境相關的顆粒分布校正曲線（見圖4B）。
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　　圖5 用戶在室內外的行為識別（理論基于微軟研究院的兩篇論文）

　　服務器會把相鄰位置的PAM作為一個群進行分析、校正，所選定的基準曲線用來重估PM2.5、PM10和空氣質量指數(shù)（見圖4C），這些最終數(shù)據(jù)通過內部服務器回傳給用戶的PAM或MiniPAM。此外，用戶也可以用裝有專門應用程序的智能手機或平板電腦通過3G網(wǎng)絡與云端連接，并通過低功耗藍牙，將 MiniPAM數(shù)據(jù)顯示在智能手機或平板電腦的屏幕上（見圖6）。這個就是用戶身邊比較準確的空氣質量數(shù)據(jù)了。

　　圖6 通過低功耗藍牙，將MiniPAM數(shù)據(jù)顯示在智能手機或平板電腦的屏幕上

　　MiniPAM與PAM的一個主要區(qū)別是，PAM有2個灰塵傳感器，而MiniPAM只有1個。MiniPAM與手機處于連接狀態(tài)時，紅色指示燈每5秒閃一次。粒子通過時，傳感器會有一個電壓脈沖。這時顯示兩個數(shù)據(jù)，一個是直徑在1.0μm以上的粒子數(shù)，另一個是直徑在2.5μm以上的粒子數(shù)。對于 1.0μm以上或2.5μm以上的粒子，脈沖幅度不同，以此就可判斷出相應的粒子數(shù)。用前一個數(shù)值減去后一個數(shù)值，就是直徑介于1.0μm和2.5μm之間的粒子數(shù)。

　　由于中國政府規(guī)定，未經(jīng)國家認證，任何機構不能向個人用戶提供詳細的空氣質量數(shù)據(jù)。考慮到要遵守政府法規(guī)，所以，PAM給出的最終空氣質量監(jiān)測數(shù)據(jù)不是以精確數(shù)值的形式出現(xiàn)，而是劃分成好、較好、差、較差、最差等1~10個檔，以這樣的方式提供給用戶。