【技術干貨】無線物聯網技術協助開發空氣質量監測系統

從數字來看，一般人每天吸入約11,000升空氣，依據世界衛生組織的資料，每年有670萬人因空氣污染而過早死亡，其中超過320萬人的死亡可能肇因于室內環境的空氣污染。根據美國環境保護局的數據，美國人在室內的時間高達90%，美國國家環境健康服務研究所列出了建筑物內人類活動造成的室內污染源，例如吸煙、燃燒固體燃料、烹飪和清潔過程，還有來自建筑材料、設備和家具的揮發物，以及生物污染物，例如霉菌、病毒或過敏原。

此外，對人類健康最嚴重的空氣傳播威脅之一來自VOC（揮發性有機化合物）。它們廣泛用于油漆和亮光漆，以及清潔劑、消毒劑和溶劑脫脂產品。室內揮發性有機化合物的濃度可能比室外高十倍，并可能導致嚴重的健康問題。

幸運的是，物聯網現在提供了解決方案，可以更細致、更及時地應對潛在危險，尤其是長期、低水平污染的情況。無線技術的最新進展幫助創建了各種用于室內空氣質量測量和監測的可擴展解決方案。這些進步允許靈活放置各種傳感器，獨立于本地IT網絡。結合智能分析，這些數據使我們能夠更好地了解影響室內空氣質量的因素。

通過采用藍牙LE等基礎物聯網技術的緊湊型電池供電傳感器，適合對整個建筑物的空氣進行采樣，而低功耗Wi-Fi技術對于利用現有Wi-Fi基礎設施的空氣質量傳感器來說也是一個不錯的選擇。這兩種技術都可以將數據傳輸到資源適用的Wi-Fi網關，而網關又可以將數據轉發到云端以進行遠程訪問。或者，構建寬廣的藍牙LE網絡可以將數據發送到蜂窩物聯網網關，該網關可以獨立于Wi-Fi將數據轉發到云端，從而減輕安全問題。

由于無線解決方案不需要布線，因此可以輕松集成到新建建筑或改造現有建筑中。由于沒有物理電線，因此可以輕松戰略性地定位傳感器；例如，將一氧化碳傳感器安裝在化石燃料加熱器附近或空氣流通不良的房間內。

與傳統類型的傳感器相比，新一代傳感器的一個關鍵優勢是它們提供的連續數據流，這使得能夠識別長期空氣質量趨勢，從而實現精確控制。例如，根據歷史數據，在已知花粉數量較高的夏季，可以自動觸發額外的空氣凈化，或者當寒冷和潮濕結合促進霉菌生長時，可以觸發增加通風和熱量。

邊緣計算功能使當今的物聯網設備能夠在內部處理連續的數據流，并且僅在需要采取改變濕度、溫度、通風或凈化的措施時，將結果轉發到智能手機、網關或直接轉發到云端，這大大降低了能源消耗和數據費用。

物聯網可以與智能空氣凈化、過濾系統和智能HVAC（供暖、通風和空調）集成，增強了靈活性。例如，當傳感器檢測到空氣中的二氧化碳、揮發性有機化合物（VOC）或其他污染物時，集成系統可以自動加強過濾。

許多進入市場的商用無線空氣質量監測解決方案，正在展現出積極的成果。例如，在新西蘭，將學生的學習進步與其室內環境質量聯系起來的研究，導致了新西蘭教育部發起的Te Haratau項目的啟動。AirSuite是一家智能環境解決方案公司，是在Te Haratau項目中誕生的，當時空氣清潔應用在教育領域以外取得的好處更為顯而易見。

在2023年，AirSuite推出了一款室內監測儀，旨在檢測和記錄一系列在商業、工業和家庭環境中，對人們的健康和生產力可能造成影響的環境變量。AirSuite Glance采用一系列傳感器來監測二氧化碳、揮發性有機化合物、溫度和濕度（以及聲音、光線水平和氣壓），持續監測一系列室內環境變量，可以改善健康狀況、提高工作效率并提高員工留職率，其潛在的好處對于任何組織來說都非常重要，不容忽視。

AirSuite使用Nordic的nRF52840 SoC提供的藍牙LE連接，每分鐘將數據直接傳輸到用戶的智能手機，集成Nordic nRF9160 SiP的LTE-M或NB-IoT連接，至少每15分鐘將相關數據發送到云端。通過應用程序和網絡平臺，用戶可以在環境指標超過或低于預定閾值時進行監督和接收通知。

AirSuite Glance可以指出導致用戶空氣狀況不佳的隱形因素，并提醒用戶他們可能已經習慣了不健康的狀況，無線連接可以為空氣質量監測提供近乎實時的響應能力，這是必要的，因為環境因素可能會迅速變化，例如，在擁擠的會議室中因為人類呼吸導致的二氧化碳濃度會快速升高，這些警報可以立即進行干預，這是僅通過歷史數據分析無法實現的。

空氣質量監測的下一步是引入新一代無線SoC，例如Nordic的nRF54H20，一種多核、多協議SoC，具有充足的資源來支持機器學習（ML），此類SoC可以使用長期收集的空氣質量數據來訓練機器學習模型，然后將這些模型應用于傳感器，傳感器反過來可以幫助進行智能調整建筑系統和暖通空調，以實現居住者的最佳健康和舒適度。

這種設備優化通過避免不必要的使用來降低功耗，同時創造針對居住者福祉進行微調的室內環境。將機器學習進一步集成到無線空氣質量監測中有望提供增強的預測洞察力，促進明智的決策，從而獲得更好的健康結果，其結果將是物聯網解決方案可為每個人提供新鮮的空氣。

再舉另外一個例子，由法國領先的物聯網傳感器專家Adeunis所開發，專為智能建筑而設計的室內環境和空氣質量解決方案。COMFORT和COMFORT Serenity設備采用溫度、濕度、二氧化碳和VOC傳感器，向云端提供近乎實時的數據。它們由Nordic的nRF9160 SiP提供支持，并支持NB-IoT和LTE-M網絡的蜂窩物聯網連接。

通過Adeunis的傳感器，建筑監管人員可以獲得有關可能接觸高濃度二氧化碳或揮發性有機化合物的數據，這些可能會對健康產生不利影響，因此監測和維持安全水平很重要。此外，Adeunis的設備可通過精確的溫度和濕度測量確保建筑居住者的最佳舒適度。

Nordic的nRF9160 SiP配備64 MHz Arm Cortex-M33專用應用處理器，可提供充足的處理能力來管理集成傳感器套件。使用nRF9160 SiP將設備數據傳輸到云端后，用戶可以通過帶有NFC接口的直觀應用程序查看和管理信息。云服務器可以提供有關傳感器狀態、電池壽命、網絡質量和數據接收的見解，用戶可以委派設備管理、遠程配置設備，并根據收集的數據采取行動。

nRF9160在單個SiP中支持LTE-M和NB-IoT技術，提供了無與倫比的靈活性。此外，其卓越的低功耗能力是一個決定性因素，隨著企業在每棟建筑中使用多個傳感器，最大限度地延長電池壽命至關重要。Adeunis的設備可以實現長達15年的驚人電池壽命。

由Nordic推出的nRF54H20系統級芯片（SoC），是nRF54H系列的首款SoC。它是一款緊湊型超低功耗SoC，具有卓越的處理能力、大容量內存和出色的效率。它擁有同類最佳的新型多協議無線電和最先進的安全功能。其獨特的功能組合集成在一個緊湊型SoC中，將使開發人員能夠打造前所未有的創新型物聯網產品。?

nRF54H20使用高度集成的SoC來取代多個元器件，僅需要最少的外部元器件，可減小設計尺寸，其高效處理、超低功耗無線電和最小睡眠電流特性，可延長電池壽命或縮小電池體積，并具備同類最佳的多協議無線電，藍牙LE的發射功率為10 dBm，接收靈敏度為-100 dBm，802.15.4的接收靈敏度為-104 dBm，可提供長距離通信。nRF54H20擁有最先進的安全功能，包括安全啟動、安全固件更新、安全存儲和物理攻擊防護，可抵御安全威脅。

Nordic另一款nRF9160低功耗系統級封裝（SiP），集成LTE-M/NB-IoT調制解調器和GNSS，是一款外形緊湊、高度集成的SiP，它使最新的低功耗LTE技術和先進的處理和無障礙的安全性且易于使用，適用于各種單器件低功耗蜂窩物聯網（cIoT）設計。

nRF9160內置Arm Cortex-M33應用專屬處理器、全LTE調制解調器、射頻前端（RFFE）和電源管理系統。nRF9160是市場上最緊湊、最完整、最節能的蜂窩物聯網解決方案。集成調制解調器支持LTE-M和NB-IoT，可以在全球范圍內運行，無需任何區域特制版。nRF9160包括eDRX和PSM在內的所有節能特性都得到了支持，支持IPv4/IPv6傳輸和安全（TCP/TLS）等級，可通過安全、加密的固件無線更新（FOTA）進行調制解調器固件升級。

依據統計數據顯示，到2028年全球空氣質量監測系統市場收入將達到69億美元，市場前景相當看好。無線空氣質量監測設備可隨時監測室內空氣質量的變化，結合物聯網解決方案，將可為每個人提供新鮮的空氣，以獲得更好的健康結果。Nordic推出的高度集成SoC與SiP解決方案，將可加速無線空氣質量監測設備廠商的產品開發速度，值得您進一步深入了解與采用。