個(gè)性化的空氣質(zhì)量測(cè)量 全靠先進(jìn)的PM2.5和VOC傳感器技術(shù)

近些年,隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視及對(duì)自身健康提升的不斷追求,空氣質(zhì)量已經(jīng)成為了熱點(diǎn)話題。然而目前我們能查看到的空氣檢測(cè)數(shù)據(jù)都是基于較大范圍的測(cè)量而非個(gè)性化的,此文就著重介紹能夠?yàn)橛脩籼峁└》秶車諝赓|(zhì)量數(shù)據(jù)的技術(shù)和原理?？諝馕廴緶y(cè)量的兩個(gè)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(jī)化合物(VOC)。例如,壁爐和蠟燭在燃燒過程中便會(huì)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(gè)性化空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè),從而改善人們的健康。

個(gè)性化PM2.5監(jiān)測(cè)

我們知道,暴露在顆粒物環(huán)境中會(huì)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(guó)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]?！?/p>

雖然所有粒徑的顆粒物都具有危害性,但對(duì)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(jìn)入肺部深處,并導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問題。盡管研究仍在進(jìn)行中,但有證據(jù)表明,暴露在PM2.5環(huán)境中可能與對(duì)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(xiàng)研究所述^[iii]。

官方空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(cè)站無法生成個(gè)性化信息,僅會(huì)測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)所在地附近的平均空氣質(zhì)量,因此缺乏實(shí)時(shí)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(cè)當(dāng)?shù)豍M水平的波動(dòng)。

用于空氣污染測(cè)量的便攜式空氣質(zhì)量測(cè)量設(shè)備或劑量計(jì)(例如裝于我們的智能手機(jī)或可穿戴設(shè)備中)可以解決此問題。到目前為止,對(duì)于移動(dòng)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(cè)個(gè)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(dòng)設(shè)備中,以測(cè)量一個(gè)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(shì)。通過例如智能手機(jī)監(jiān)控個(gè)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(dòng),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(jì)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(cè)量的PM數(shù)據(jù),與BreezoMeter空氣污染數(shù)據(jù)彼此結(jié)合,來計(jì)算個(gè)人每天的PM暴露量。

圖1:   顆粒測(cè)量劑量計(jì)

微粒傳感器技術(shù)

常規(guī)的光學(xué)消費(fèi)電子PM傳感器依靠?jī)?nèi)置風(fēng)扇將空氣抽吸通過一個(gè)測(cè)量單元,由此記錄顆粒數(shù),并計(jì)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(jī)中。

Bosch Sensortec最近開發(fā)的獨(dú)特PM傳感器技術(shù)僅需要自然的環(huán)境氣流即可展開測(cè)量。其原理類似照相機(jī),在一個(gè)玻璃蓋后側(cè)集成了三個(gè)1級(jí)人眼安全激光器,與智能手機(jī)中的照相機(jī)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(chǎng)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(xiàng)新技術(shù)非常適合消費(fèi)類設(shè)備中的個(gè)性化PM2.5測(cè)量。它具有低功耗、免維護(hù)的特點(diǎn),并可集成到防水應(yīng)用中。

VOC檢測(cè)

揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)是另一個(gè)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(shí)間都在室內(nèi)度過,因此室內(nèi)環(huán)境空氣中VOC的濃度會(huì)對(duì)我們的健康造成巨大影響。

VOC傳感器可以檢測(cè)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(huì)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(jī)或啟動(dòng)空氣凈化器。另外,這些信息可用于生成警報(bào),例如火災(zāi)檢測(cè),甚至是識(shí)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(duì)空氣質(zhì)量的影響

為測(cè)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(cè)功能。它可以測(cè)量環(huán)境溫度、大氣壓力、相對(duì)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(yùn)行。

該傳感器能夠區(qū)分新鮮空氣(即清潔空氣,主要是氮?dú)狻⒀鯕夂蜐駳?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(jī)率^[v]。

 智能軟件將收集到的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)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(shí)別和分類不同的環(huán)境條件,從而實(shí)現(xiàn)眾多全新應(yīng)用。

讓我們以森林氣候測(cè)繪和早期森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估這一高級(jí)用例進(jìn)行說明。首先,傳感器網(wǎng)絡(luò)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有環(huán)境活動(dòng)測(cè)繪整個(gè)區(qū)域。其次,機(jī)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(duì)不同情況進(jìn)行分類和預(yù)測(cè),并評(píng)估各自風(fēng)險(xiǎn)。最后,終端人工智能使最終產(chǎn)品能夠匹配各個(gè)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(gè)用例為確定何時(shí)需要為嬰兒更換尿布。傳感器硬件可以測(cè)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(shí)應(yīng)采取行動(dòng)。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?cè)谝欢ǔ潭壬咸嵘钯|(zhì)量^[vi]。通過機(jī)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(jiǎn)單的狀態(tài)指示,并通過人工智能對(duì)模型進(jìn)行微調(diào)。 

圖.4:尿布用例示圖

博世正在進(jìn)一步擴(kuò)展氣體傳感器的范圍,以增加新功能并實(shí)現(xiàn)新用例。全新氣體傳感技術(shù)將包括更先進(jìn)的軟件和更廣泛的氣體檢測(cè)功能。例如,氣體傳感器可以檢測(cè)不同的氣體成分,通過與參考數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,識(shí)別單獨(dú)氣味(圖5)。潛在的用例包括監(jiān)視公共場(chǎng)所的清潔狀況、對(duì)口臭進(jìn)行分類,或監(jiān)測(cè)食物變質(zhì)。

圖5:環(huán)境感應(yīng)檢測(cè)不同氣體成分

結(jié)語

通過生成準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、個(gè)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?cè)u(píng)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(shí)出門,調(diào)整通勤或戶外體育活動(dòng)的時(shí)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(xiàng)技術(shù)也將有助于我們做出明智的決定,例如搬遷至哪個(gè)地區(qū)或決定去哪里度假。隨著人們對(duì)環(huán)境和自身健康關(guān)注意識(shí)的提升,對(duì)空氣質(zhì)量應(yīng)用的需求在未來將繼續(xù)增長(zhǎng)。

博世空氣質(zhì)量傳感技術(shù)體積極小,可在智能手機(jī)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.