【技术干货】无线物联网技术协助开发空气质量监测系统

从数字来看，一般人每天吸入约11,000升空气，依据世界卫生组织的资料，每年有670万人因空气污染而过早死亡，其中超过320万人的死亡可能肇因于室内环境的空气污染。根据美国环境保护局的数据，美国人在室内的时间高达90%，美国国家环境健康服务研究所列出了建筑物内人类活动造成的室内污染源，例如吸烟、燃烧固体燃料、烹饪和清洁过程，还有来自建筑材料、设备和家具的挥发物，以及生物污染物，例如霉菌、病毒或过敏原。

此外，对人类健康最严重的空气传播威胁之一来自VOC（挥发性有机化合物）。它们广泛用于油漆和亮光漆，以及清洁剂、消毒剂和溶剂脱脂产品。室内挥发性有机化合物的浓度可能比室外高十倍，并可能导致严重的健康问题。

幸运的是，物联网现在提供了解决方案，可以更细致、更及时地应对潜在危险，尤其是长期、低水平污染的情况。无线技术的最新进展帮助创建了各种用于室内空气质量测量和监测的可扩展解决方案。这些进步允许灵活放置各种传感器，独立于本地IT网络。结合智能分析，这些数据使我们能够更好地了解影响室内空气质量的因素。

通过采用蓝牙LE等基础物联网技术的紧凑型电池供电传感器，适合对整个建筑物的空气进行采样，而低功耗Wi-Fi技术对于利用现有Wi-Fi基础设施的空气质量传感器来说也是一个不错的选择。这两种技术都可以将数据传输到资源适用的Wi-Fi网关，而网关又可以将数据转发到云端以进行远程访问。或者，构建宽广的蓝牙LE网络可以将数据发送到蜂窝物联网网关，该网关可以独立于Wi-Fi将数据转发到云端，从而减轻安全问题。

由于无线解决方案不需要布线，因此可以轻松集成到新建建筑或改造现有建筑中。由于没有物理电线，因此可以轻松战略性地定位传感器；例如，将一氧化碳传感器安装在化石燃料加热器附近或空气流通不良的房间内。

与传统类型的传感器相比，新一代传感器的一个关键优势是它们提供的连续数据流，这使得能够识别长期空气质量趋势，从而实现精确控制。例如，根据历史数据，在已知花粉数量较高的夏季，可以自动触发额外的空气净化，或者当寒冷和潮湿结合促进霉菌生长时，可以触发增加通风和热量。

边缘计算功能使当今的物联网设备能够在内部处理连续的数据流，并且仅在需要采取改变湿度、温度、通风或净化的措施时，将结果转发到智能手机、网关或直接转发到云端，这大大降低了能源消耗和数据费用。

物联网可以与智能空气净化、过滤系统和智能HVAC（供暖、通风和空调）集成，增强了灵活性。例如，当传感器检测到空气中的二氧化碳、挥发性有机化合物（VOC）或其他污染物时，集成系统可以自动加强过滤。

许多进入市场的商用无线空气质量监测解决方案，正在展现出积极的成果。例如，在新西兰，将学生的学习进步与其室内环境质量联系起来的研究，导致了新西兰教育部发起的Te Haratau项目的启动。AirSuite是一家智能环境解决方案公司，是在Te Haratau项目中诞生的，当时空气清洁应用在教育领域以外取得的好处更为显而易见。

在2023年，AirSuite推出了一款室内监测仪，旨在检测和记录一系列在商业、工业和家庭环境中，对人们的健康和生产力可能造成影响的环境变量。AirSuite Glance采用一系列传感器来监测二氧化碳、挥发性有机化合物、温度和湿度（以及声音、光线水平和气压），持续监测一系列室内环境变量，可以改善健康状况、提高工作效率并提高员工留职率，其潜在的好处对于任何组织来说都非常重要，不容忽视。

AirSuite使用Nordic的nRF52840 SoC提供的蓝牙LE连接，每分钟将数据直接传输到用户的智能手机，集成Nordic nRF9160 SiP的LTE-M或NB-IoT连接，至少每15分钟将相关数据发送到云端。通过应用程序和网络平台，用户可以在环境指标超过或低于预定阈值时进行监督和接收通知。

AirSuite Glance可以指出导致用户空气状况不佳的隐形因素，并提醒用户他们可能已经习惯了不健康的状况，无线连接可以为空气质量监测提供近乎实时的响应能力，这是必要的，因为环境因素可能会迅速变化，例如，在拥挤的会议室中因为人类呼吸导致的二氧化碳浓度会快速升高，这些警报可以立即进行干预，这是仅通过历史数据分析无法实现的。

空气质量监测的下一步是引入新一代无线SoC，例如Nordic的nRF54H20，一种多核、多协议SoC，具有充足的资源来支持机器学习（ML），此类SoC可以使用长期收集的空气质量数据来训练机器学习模型，然后将这些模型应用于传感器，传感器反过来可以帮助进行智能调整建筑系统和暖通空调，以实现居住者的最佳健康和舒适度。

这种设备优化通过避免不必要的使用来降低功耗，同时创造针对居住者福祉进行微调的室内环境。将机器学习进一步集成到无线空气质量监测中有望提供增强的预测洞察力，促进明智的决策，从而获得更好的健康结果，其结果将是物联网解决方案可为每个人提供新鲜的空气。

再举另外一个例子，由法国领先的物联网传感器专家Adeunis所开发，专为智能建筑而设计的室内环境和空气质量解决方案。COMFORT和COMFORT Serenity设备采用温度、湿度、二氧化碳和VOC传感器，向云端提供近乎实时的数据。它们由Nordic的nRF9160 SiP提供支持，并支持NB-IoT和LTE-M网络的蜂窝物联网连接。

通过Adeunis的传感器，建筑监管人员可以获得有关可能接触高浓度二氧化碳或挥发性有机化合物的数据，这些可能会对健康产生不利影响，因此监测和维持安全水平很重要。此外，Adeunis的设备可通过精确的温度和湿度测量确保建筑居住者的最佳舒适度。

Nordic的nRF9160 SiP配备64 MHz Arm Cortex-M33专用应用处理器，可提供充足的处理能力来管理集成传感器套件。使用nRF9160 SiP将设备数据传输到云端后，用户可以通过带有NFC接口的直观应用程序查看和管理信息。云服务器可以提供有关传感器状态、电池寿命、网络质量和数据接收的见解，用户可以委派设备管理、远程配置设备，并根据收集的数据采取行动。

nRF9160在单个SiP中支持LTE-M和NB-IoT技术，提供了无与伦比的灵活性。此外，其卓越的低功耗能力是一个决定性因素，随着企业在每栋建筑中使用多个传感器，最大限度地延长电池寿命至关重要。Adeunis的设备可以实现长达15年的惊人电池寿命。

由Nordic推出的nRF54H20系统级芯片（SoC），是nRF54H系列的首款SoC。它是一款紧凑型超低功耗SoC，具有卓越的处理能力、大容量内存和出色的效率。它拥有同类最佳的新型多协议无线电和最先进的安全功能。其独特的功能组合集成在一个紧凑型SoC中，将使开发人员能够打造前所未有的创新型物联网产品。 

nRF54H20使用高度集成的SoC来取代多个元器件，仅需要最少的外部元器件，可减小设计尺寸，其高效处理、超低功耗无线电和最小睡眠电流特性，可延长电池寿命或缩小电池体积，并具备同类最佳的多协议无线电，蓝牙LE的发射功率为10 dBm，接收灵敏度为-100 dBm，802.15.4的接收灵敏度为-104 dBm，可提供长距离通信。nRF54H20拥有最先进的安全功能，包括安全启动、安全固件更新、安全存储和物理攻击防护，可抵御安全威胁。

Nordic另一款nRF9160低功耗系统级封装（SiP），集成LTE-M/NB-IoT调制解调器和GNSS，是一款外形紧凑、高度集成的SiP，它使最新的低功耗LTE技术和先进的处理和无障碍的安全性且易于使用，适用于各种单器件低功耗蜂窝物联网（cIoT）设计。

nRF9160内置Arm Cortex-M33应用专属处理器、全LTE调制解调器、射频前端（RFFE）和电源管理系统。nRF9160是市场上最紧凑、最完整、最节能的蜂窝物联网解决方案。集成调制解调器支持LTE-M和NB-IoT，可以在全球范围内运行，无需任何区域特制版。nRF9160包括eDRX和PSM在内的所有节能特性都得到了支持，支持IPv4/IPv6传输和安全（TCP/TLS）等级，可通过安全、加密的固件无线更新（FOTA）进行调制解调器固件升级。

依据统计数据显示，到2028年全球空气质量监测系统市场收入将达到69亿美元，市场前景相当看好。无线空气质量监测设备可随时监测室内空气质量的变化，结合物联网解决方案，将可为每个人提供新鲜的空气，以获得更好的健康结果。Nordic推出的高度集成SoC与SiP解决方案，将可加速无线空气质量监测设备厂商的产品开发速度，值得您进一步深入了解与采用。