先进的传感器技术可实现个性化的空气质量监测

它无处不在，但除非出现问题，否则我们通常不会关心我们呼吸的空气中的物质。在室内和室外环境中，糟糕的空气质量会极大地影响我们的健康和福祉。空气污染测量的两个重要指标是 2.5 µm（微米）以下的小颗粒物（PM）（PM2.5）和挥发性有机化合物（VOCs）。例如，它们在燃烧过程中通过壁炉和蜡烛在家庭中排放。清洁用品、家具或纺织品等日常物品也会排放 VOC。本文提供了对新的 PM2.5 和 VOC 传感技术的见解，这些技术使个人空气质量监测能够改善人们的健康和福祉。

个人PM2.5监测

我们知道接触颗粒物会导致严重的健康问题，世界卫生组织 (WHO) 表示，“通过降低空气污染水平，各国可以减少疾病负担来自中风、心脏病、肺癌以及包括哮喘在内的慢性和急性呼吸系统疾病。” ¹

虽然颗粒物的粒径范围很广，但对人类健康影响最大的是 PM2.5 范围内的颗粒物， ² 直径小于 2.5 µm。这些微小的 PM2.5 颗粒很容易进入肺部深处并导致严重的健康问题。尽管研究仍在进行中，但有证据表明 PM2.5 暴露可能与对病毒性疾病（包括 SARS-CoV-2）的敏感性有关，正如哈佛大学最近的一项研究所讨论的那样。 ³

官方空气质量监测站仅提供室外环境的综合或平均数据，没有相应的室内空气数据。它们不会生成个性化信息并仅在一段时间内平均测量附近的空气质量，因此它们缺乏用于跟踪我们周围快速变化的环境和监测当地 PM 水平波动的实时信息。

用于空气污染测量的便携式空气质量测量设备或剂量计——例如，在我们的智能手机或可穿戴设备中——可以解决这个问题。到目前为止，PM2.5 传感器对于移动设备来说太大了。 Bosch Sensortec 最近开发了一种传感器技术，现在可以使监测个人空气污染暴露情况成为现实。

借助博世新的 PM2.5 技术，现在可以将 PM2.5 传感集成到移动设备中，以测量一个人的日常 PM 暴露量。可以向用户显示他们所接触的当地污染水平的数据和趋势。监测个人暴露于空气污染的情况（例如，使用智能手机）可以让用户获得可靠和透明的信息，从而使他们能够根据世卫组织空气质量指南采取行动并最大程度地减少 PM2.5 暴露。 ⁴ 这有助于改善人们的健康和福祉。

例如，图 1 展示了与 BreezoMeter 公司合作创建的 PM2.5 剂量计演示应用程序。剂量计应用程序通过将本地测量的 PM 数据与博世 PM 2.5 传感器技术和 BreezoMeter 空气污染数据相结合，计算个人每日 PM 暴露量。

图 1：颗粒测量剂量计

微小颗粒传感器技术

传统的光学消费类 PM 传感器依靠内置风扇将空气吸入单元，在单元中记录颗粒计数并计算每单位体积的浓度。这种方法的问题在于这种传感器的物理尺寸太大，通常只有火柴盒那么大，因此不适用于智能手机等平板便携式设备。

Bosch Sensortec 最近开发的独特 PM 传感器技术只需要自然的环境气流即可发挥作用。它基于类似摄像头的原理，将三个 1 类人眼安全激光器集成在玻璃盖后面，与智能手机中的摄像头类似。

这种新颖的方法使 Bosch Sensortec 能够开发出物理尺寸显着减小的 PM 传感解决方案，约占市场上其他解决方案体积的五分之一 (0.2%)。火柴头尺寸的减小使这项新技术成为消费设备中个人 PM2.5 测量的理想选择。功耗低，免维护，可集成到防水应用中。

检测VOCs

另一个令人担忧的空气传播源是挥发性有机化合物 (VOC)，它是一大类化学反应性气体，可以出现在任何房间中。由于人们通常有 90% 的时间在室内度过，因此室内环境空气中 VOC 的浓度会显着影响我们的福祉和健康。

VOC 传感器可以检测建筑物内部和室外的各种气体，例如（氢）碳化合物（例如酒精或 CO）、硫化物化合物（产生难闻的气味，例如 H2S）和溶剂（例如丙酮） ）。例如，它们来自油漆、清漆或清洁剂。在智能家居中，VOC 信息有助于控制多个设备，例如打开和关闭厨房油烟机或启动空气净化器。此外，它还可用于生成警报；例如，通过检测冰箱中的火灾或什至变质的食物。 VOC 数据还可以与其他物联网应用一起使用；例如，根据空气质量优化办公楼的通风。

图2：VOCs和PM2.5对空气质量的影响

为了测量 VOC，博世开发了一种紧凑的高性能气体传感器。 BME680 是世界上最小的解决方案，可提供四合一的空气质量监测。它可以测量环境温度、气压、相对湿度和气体，并安装在一个 3 × 3 × 0.93-mm ³ 包裹。工作在超低功耗范围，低至0.1 mA以下。

传感器可以区分新鲜空气（即清洁空气，主要是氮气、氧气和湿度）和带有额外污染物的旧空气。通常，当人们在房间内时，呼出的气息是导致空气质量差的最重要原因之一。了解环境空气中呼出的空气量有助于优化通风，从而有助于防止空气传播感染，如 SARS-CoV-2。 ⁵ 虽然 VOC 传感器不能直接检测病毒，但它们可以间接促进人们的健康和福祉。

智能软件将收集到的传感器数据转化为对用户有用的输出。通过将现代气体传感技术与人工智能相结合，现在可以识别和分类不同的环境条件，从而实现许多新的应用。

让我们考虑一个用于森林气候绘图和早期野火检测的风险评估的高级示例。首先，传感器网络通过实时查看所有环境活动来绘制整个区域。其次，机器学习用于创建基于原始数据的数学模型，用于对不同情况进行分类和预测以及评估风险。第三，边缘人工智能用于使最终产品适应个人用户的特定区域条件并降低功耗。

图 3：森林气候示例

另一个应用可能是检测婴儿的尿布何时需要更换。传感器硬件可以测量温度、压力、湿度和气体的存在——但父母不想要这种详细程度；他们只需要知道何时需要采取行动。由于 20 岁以上的人口中约有 19% 患有嗅觉障碍，因此这些“基本”信息可以帮助他们恢复一定的生活质量。 ⁶ 使用机器学习开发的数学模型可将原始传感器数据转换为简单的状态指示，并在运行中通过 AI 微调模型。

图 4：尿布应用

博世正在进一步扩展气体传感器的范围，以增加新功能并支持新用例。新的气体传感技术将包括更复杂的软件和更广泛的气体检测能力。例如，气体传感器可以检测不同的气体成分——当与参考数据进行比较时，可以识别气味（图 5 ）。用例的示例可以是公共场所清洁状态的监控、口臭分类或变质食物的检测。

图 5：环境传感检测不同的气体成分。

结论

通过生成准确、实时、个性化的空气质量数据，这些新的传感器技术将改变我们评估周围空气质量的方式，并使我们能够做出相应的响应。我们将更好地计划何时到户外以适应我们的通勤或体育活动。我们将通过控制通风和避免产生颗粒来管理我们家中的空气质量。在更广泛的范围内进行调整时，这也将有助于我们做出明智的决定；例如，当搬迁到新地区或决定去哪里度假时。随着保护环境和我们自身健康意识的增强，未来对空气质量应用的需求将继续增长。

博世空气质量传感技术体积小，可用于智能手机等平板便携式设备，成本低，可广泛采用——这将为个人和整个社会带来显着的好处。

参考文献

¹ 世卫组织，“环境（室外）空气污染”，https://www.who.int/news-room/...

² 环境食品和农村事务部，公共卫生：“PM2.5 的来源和影响”，https://laqm.defra.gov.uk/publ...

³ 哈佛大学，“将空气污染与更高的冠状病毒死亡率联系起来”，https://www.hsph.harvard.edu/b...

⁴ https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health

⁵ 环境国际：“SARS-CoV-2的空气传播：世界应该面对现实”，2020，https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016041202031254X

⁶ 哈佛医学院：“嗅觉障碍：当你的嗅觉误入歧途时”，2018 年，https://www.health.harvard.edu/blog/smell-disorders-when-your-sense-of-smell-goes-astray -2018121215539

>> 本文最初发表于我们的姊妹网站 EEWeb。