【芯應(yīng)用】呼吸每一口好空氣：無線物聯(lián)網(wǎng)如何守護室內(nèi)健康

NORDIC

概要

低功耗藍牙等基礎(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，適用于在建筑物內(nèi)對空氣進行采樣的緊湊型電池供電傳感器；而低功耗Wi-Fi技術(shù)則理想用于可充分利用現(xiàn)有Wi-Fi 接入點之空氣質(zhì)量傳感器。這兩種技術(shù)都能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)劫Y源充足的 Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)，而 Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)又將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端供遠程訪問。另外，樓宇范圍內(nèi)的低功耗藍牙網(wǎng)絡(luò)可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒涓C物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，無需使用Wi-Fi即可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端。

由于無線解決方案不需要布線，因此很容易集成到新建的建筑中，或改造加入到現(xiàn)有建筑中。由于這些傳感器不使用物理電線，可以方便地將放置在戰(zhàn)略重要位置；例如，可以在礦物燃料加熱器附近或空氣流通不暢的房間安裝一氧化碳傳感器。

與傳統(tǒng)傳感器相比，新一代傳感器的主要優(yōu)勢是可以提供連續(xù)的數(shù)據(jù)流，從而識別特定建筑或場所的長期空氣質(zhì)量趨勢，從而進行精確的控制。例如，根據(jù)大量的歷史數(shù)據(jù)，可以在預(yù)測花粉數(shù)量較多的夏季自動觸發(fā)額外的空氣凈化，或者在寒冷并且潮濕時增加通風(fēng)和加熱操作，以阻止霉菌生長。

通過邊緣計算功能，當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠過濾這些連續(xù)的數(shù)據(jù)流，只有在需要采取行動改變濕度、溫度、通風(fēng)或凈化時，才將信息發(fā)送到智能手機、網(wǎng)關(guān)或直接發(fā)送到云端。這樣可以降低能耗，而且，如果設(shè)備使用受管制的無線電頻譜，還可以減少數(shù)據(jù)費用。

可將物聯(lián)網(wǎng)與智能空氣凈化、過濾系統(tǒng)和智能供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)集成，從而實現(xiàn)靈活性和精確性。例如，如果濕度開始上升，導(dǎo)致霉菌滋生，暖通空調(diào)系統(tǒng)就可以加強除濕功能。或者，當(dāng)傳感器在空氣中檢測到二氧化碳、揮發(fā)性有機化合物(VOC)(這是空氣中對人體健康威脅最大的物質(zhì)之一)或其他污染物時，集成系統(tǒng)可以自動加強過濾操作。

VOC廣泛應(yīng)用于油漆、涂料以及清潔、消毒和除油污產(chǎn)品中，根據(jù)美國環(huán)境保護署(EPA)數(shù)據(jù)，室內(nèi)的VOC濃度可能比室外高出10倍，并可能導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問題，包括頭痛、惡心以及對肝臟、腎臟和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的潛在損害。

商用無線空氣質(zhì)量監(jiān)測解決方案正在進入市場，并取得不錯的成績。例如，新西蘭的研究表明學(xué)生學(xué)習(xí)效果與室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量相關(guān)，促使新西蘭教育部發(fā)起了Te Haratau 項目。

2023年AirSuite 推出了室內(nèi)監(jiān)測器Glance，用于檢測和記錄一系列環(huán)境變量，這些變量可能影響商業(yè)、工業(yè)和家庭環(huán)境中人們的健康和工作效率。AirSuite Glance 采用一系列傳感器來監(jiān)測二氧化碳、VOC、溫度和濕度，以及聲音、光照度和氣壓。

AirSuite使用Nordic nRF52840系統(tǒng)級芯片 (SoC) 提供的低功耗藍牙 連接，每分鐘將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)接脩舻闹悄苁謾C，而Nordic nRF9160系統(tǒng)級封裝(SiP) 則提供LTE-M 或 NB-IoT(蜂窩物聯(lián)網(wǎng))連接，至少每 15 分鐘將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。通過專用app和網(wǎng)絡(luò)平臺，當(dāng)環(huán)境指標(biāo)超過或低于預(yù)定閾值時，用戶可以進行監(jiān)督和接收通知。

Pooran認(rèn)為像 AirSuite Glance 這樣的設(shè)備可讓企業(yè)把最佳的環(huán)境提供予其最寶貴的資產(chǎn)——員工。他認(rèn)同除非可以通過無線網(wǎng)絡(luò)可靠、安全地傳輸收集到的數(shù)據(jù)，否則這一切都無法實現(xiàn)。

Pooran補充道：“無線連接可以為空氣質(zhì)量監(jiān)測提供近乎實時的響應(yīng)能力，這是必要的，因為環(huán)境因素可能瞬息萬變。例如，在擁擠的會議室里，人們的呼吸導(dǎo)致二氧化碳濃度升高，這些警報可以實現(xiàn)即時干預(yù)，而僅靠歷史數(shù)據(jù)分析是無法實現(xiàn)的。”

另外，法國領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)傳感器專業(yè)公司 Adeunis 開發(fā)了專為智能樓宇設(shè)計的室內(nèi)環(huán)境和空氣質(zhì)量解決方案。COMFORT 和 COMFORT Serenity 設(shè)備采用了溫度、濕度、二氧化碳和VOC傳感器，可向云端提供近乎實時的數(shù)據(jù)。Nordic 的 nRF9160 SiP為它們提供無縫蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接，同時支持 NB-IoT 和 LTE-M 網(wǎng)絡(luò)。

COMFORT Serenity采用 Nordic 的 nRF9160 SiP，提供同時支持 NB-IoT 和 LTE-M 網(wǎng)絡(luò)的無線連接功能

Adeunis 射頻硬件開發(fā)人員Catalina Raba Mora 解釋道：“高濃度二氧化碳或VOC都會對健康產(chǎn)生不利影響，因而需要進行監(jiān)測并維持安全水平，而通過使用我們的傳感器產(chǎn)品，樓宇監(jiān)管人員能夠立即獲取可能暴露于高濃度二氧化碳或VOC的重要數(shù)據(jù)。此外，我們的設(shè)備還能通過精確的溫度和濕度測量，確保建筑物內(nèi)的住戶獲得舒適的環(huán)境。”

Nordic的nRF9160 SiP具有64 MHz Arm Cortex-M33專用應(yīng)用處理器，提供了充足的處理能力，能夠管理集成在COMFORT和COMFORT Serenity設(shè)備中的整套傳感器。

兩款A(yù)deunis設(shè)備都采用了帶有 NFC接口的直觀 Android 應(yīng)用程序，可簡化網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用配置。使用 nRF9160 SiP 將設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫撕螅脩艟涂梢圆榭春凸芾磉@些信息。云服務(wù)器可以提供有關(guān)傳感器運行狀態(tài)、電池壽命、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和數(shù)據(jù)接收情況的全面信息。用戶可以委托他人管理設(shè)備，遠程配置設(shè)備，并根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)采取必要的措施。

Mora表示：“nRF9160 通過單一 SiP同時支持 LTE-M 和 NB-IoT 技術(shù)，為我們的全球客戶提供了無與倫比的靈活性。此外，Nordic SiP 出色的低功耗能力是決定性因素。隨著各家企業(yè)在每棟大樓中采用多個傳感器，最大限度延長電池壽命至關(guān)重要。我們的設(shè)備可以實現(xiàn)長達 15 年的電池壽命。”

除了檢測二氧化碳和VOC，無線空氣質(zhì)量監(jiān)測還可用于識別室內(nèi)環(huán)境中的其他潛在危險屬性。例如，印度的產(chǎn)品工程服務(wù)機構(gòu) Technosphere 代表 P Alert Industries 開發(fā)了預(yù)防性解決方案，可讓物業(yè)管理人員和房主檢測建筑物內(nèi)是否存在甲基苯丙胺。

如果檢測到物業(yè)內(nèi)有吸入和/或制造甲基苯丙胺的情況，P Alert Meth Alarm 甲基苯丙胺警報器會立即向用戶的智能手機發(fā)出警報。利用Nordic nRF9160 SiP 提供的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接，可將警報和實時甲基苯丙胺含量報告轉(zhuǎn)發(fā)到相關(guān)的安全云平臺。這款解決方案提供持續(xù)監(jiān)控，用戶可以設(shè)置檢測頻率。

P Alert Meth Alarm可讓物業(yè)管理人員和房主檢測建筑物內(nèi)是否存在甲基苯丙胺

P Alert Industries董事James Hansen和Allan Spic解釋道：“人們意識到，即使甲基苯丙胺的污染水平很低，也可能對健康造成負(fù)面影響。這款甲基苯丙胺警報器可顯示空間中的甲基苯丙胺顆粒水平，從而顯示污染狀況。防患于未然，預(yù)防甲基苯丙胺污染比在污染發(fā)生后再進行補救更有效。”

P Alert Meth Alarm開發(fā)人員選擇蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接有幾個原因。Technosphere首席執(zhí)行官 Bhaskar Rao表示：“我們選擇 NB-IoT/LTE-M 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接，而不是其他 LPWAN 技術(shù)，以便在全球多個國家進行快速部署，同時優(yōu)化功耗，省去額外的定制基礎(chǔ)設(shè)施，如網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器。”

根據(jù) Markets and Markets報告，全球空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)市場預(yù)計到 2028 年將達到 69 億美元^[2]，下一步是推出全新一代無線 SoC。Nordic多協(xié)議 SoC產(chǎn)品nRF54H20 和 nRF54L15就是主要的示例。這些 SoC 降低了功耗，提高了安全性(專為PSA Level 3設(shè)計)，并通過高度集成降低了總體材料成本(BoM)。

nRF54L15是支持多種協(xié)議(包括藍牙 5.4、藍牙 NLC/Mesh 1.1、Matter、KNX IoT 等)的低功耗、成本優(yōu)化型終端設(shè)備的理想選擇。nRF54H20則適用于需要更強處理能力且不影響功耗的高端設(shè)備或單芯片網(wǎng)關(guān)應(yīng)用(例如與用于 Wi-Fi 的 nRF7002協(xié)同IC 相結(jié)合)。

nRF54H20適用于需要更強處理能力且不影響功耗的高端空氣質(zhì)量傳感器

這兩款SoC 都有充足的資源來支持機器學(xué)習(xí)(ML)。此類 SoC 可以使用長期收集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來訓(xùn)練 ML 模型。然后將這些模型應(yīng)用于傳感器，進而幫助智能化調(diào)整樓宇系統(tǒng)和暖通空調(diào)系統(tǒng)，使得居住者獲得最佳的健康條件和舒適度。

例如，樓宇系統(tǒng)可以根據(jù)特定事件自主調(diào)整設(shè)置，如在一天中的某些時間段，根據(jù)預(yù)期的樓宇占用率增加情況打開空氣凈化器和/或除濕器，然后在人們離開樓宇時關(guān)閉設(shè)備。這樣的設(shè)備優(yōu)化可以在不必使用時關(guān)機，從而降低能耗，同時為居住者精心營造舒適的室內(nèi)環(huán)境。

通過將機器學(xué)習(xí)進一步整合到無線空氣質(zhì)量監(jiān)測中，有望提供更強大的預(yù)測性洞察力，幫助做出明智的決策，為人們改善健康。最終，物聯(lián)網(wǎng)解決方案將為人們生活的所有室內(nèi)場所帶來清新的空氣。