通过物联网技术检测全球健康状态和环境监测

世界卫生组织 (WHO) 等组织认为颗粒物、臭氧和氧化氮 (NOx) 等污染物与疾病和不断攀升的早期死亡率之间存在联系，空气质量因而成为其最受关注的课题之一。空气污染是 WHO 在其全球疾病负担评估中包含的 10 大环境因素之一，这项评估提供了一个平台用于监测全球不同地区的公共卫生状况并帮助确定合适的应对措施。借助此项目，WHO 已经能够评估可通过改善环境加以预防的全球疾病比例，并且发布了 192 个成员国的国家概况。

城市地区面临空气质量问题的可能性最大。WHO 认为，如果能够降低各种健康风险，包括环境风险及营养和洁净用水等其他因素，世界贫困地区的人均预期寿命有望延长 10 年之多。即使在西欧等更发达的地区，WHO 认为也能实现进一步延长 5 年的人均预期寿命。因此，全球许多团体和社团都在坚持不懈地开展研究和投入工作，借此缓解全球的疾病负担。

在欧洲、北美和部分亚洲地区，已经出台了一些非常完善的空气质量监测和改善计划。例如，欧盟针对空气质量问题采取的行动中包括一项“欧洲清洁空气计划”，2013 年颁布的新政策对此给予了有力的支持，其中包含了各种旨在减少汽车和其他燃烧过程排放物的举措。欧洲环境署 (EEA) 维护了一个被称为 Airbase 的空气质量数据库，供公众获取根据欧盟内监测点所获取的数据得出的结果。而在世界其他地区，空气质量数据的监测力度相对较弱。世界上很多地方还有改善空间，而且人们对于采集数据进行分析的兴趣也日益浓厚。

更普遍的空气质量监测

不论从较低还是较高的基数，成本都是阻碍扩大空气质量监测规模的重要因素之一。一个合乎法规要求的高质量空气质量监测站的成本可能高达数万美元。它们往往设计为长期使用（十年甚至更久），并且可能体积庞大，在需要时很难移到其他位置。如果在空气质量监测项目中仅仅安装少量监测站，那么收集到的数据量将很有限。必须进行非常广泛的建模和外推才有可能得出更大区域的结论。

另一方面，对于价格不超过几千美元（有时还要低得多）的监测站而言，也有适合其的更为小巧便携的传感器，但准确性和精度将会有所下降。它们的运行成本可能较低，因为一些设备只需要更换电池即可，而且工作寿命往往比合乎法规要求的较大型监测站更短。

更低成本的传感器的出现，加上物联网 (IoT) 的兴起，可以给空气质量的监测方法带来转变。可以在较大型基准 AQMS 设备之间的位置插入额外的检测站，从而提高数据的可靠性，以及建模和外推的准确性。这些可以是小型、半永久性或便携式监测站，这类监测站易于搭建，并且可以非常快速地做好准备，开始收集空气质量数据。

但我们知道，大型传感器网络会生成海量数据，给传统的收集和分析方法带来挑战。这种情况下，IoT 技术可通过简化从现场监测站捕获数据的过程，降低操作成本，以及利用云计算资源来处理、分析和报告生成的信息，提供有效的解决方案。

另外值得一提的是，较小规模的政府当局和 NGO（非政府组织）可利用低成本的检测站和较小规模的云平台来建立较小规模或局部化的监测方案。例如，靠近工厂、学校或交通热点地区，用于执法或游说用途的监测站。

削减传感器和电路成本

新的制造技术可以降低传感器的成本，同样有助于扩大空气质量监测站的部署。 SPEC Sensors 开发了一种丝网印刷电化工艺，可批量制造适用于小型封装的高性能、低功耗的传感器，且成本远低于传统的机电传感器。其中几种演化产品可用于测量臭氧、甲烷、氧化氮、一氧化碳、硫化氢、正庚烷和氯气等污染物。它们分别具有紧凑的 20 mm x 20 mm 方形外形，高度仅为 3 mm，带有中央进气孔，并且可在健康或住宅空气质量监测中使用，也可以用于工业监测。它们出厂前经过校准，具有 10 年的预期使用寿命。

关于机电式传感器的使用，值得提出的重要一点是，除了要确保检测面可抵御灰尘和油污等污染物的污染之外，还应谨慎地选择外壳材料。使用某些塑料（例如 ABS）可能会由于吸收气体分子而降低传感器的响应。如有可能，建议尽量使用不锈钢或聚丙烯等材料，并将 EPDM（乙烯丙烯二烯单体 [M 类] 橡胶）等惰性材料用于任何密封件或隔板。

机电式传感器是包含工作（检测）电极、对电极和基准电极的三维器件。工作电极包含配制的与被检测气体发生反应的催化剂材料，因此可产生与气体浓度成正比的电流。恒电位仪电路用于控制工作电极的电势，并将生成的电流转换为可测量的电压。图 1 显示了 SPEC Sensors 所建议的示例电路。

图 1： 用于测量电化气体传感器响应的恒电位仪电路。

TI 创建了一套气体传感器参考设计和评估套件，使用 LMP91000 模拟前端 (AFE) IC 与机电传感器接口。此器件包含集成的跨阻放大器 (TIA)，利用该器件可简化电路设计，并允许对偏置电压和 TIA 基准电压等重要参数进行编程，而无需使用外部电阻器。此外还包含了一种实用附件 — 温度传感器，因为环境温度可能会影响工作电极的响应。图 2 说明了此集成解决方案如何化解设计传感器 AFE 所面临的挑战。

图 2： LMP91000 简化了机电传感器与电子监测电路的接口。

使用 TI 参考设计的另一项优势是，该套件采用了低功耗蓝牙® 技术，可运用 CC2541 2.4 GHz 无线电 IC。此外还提供了一款移动应用程序，以便用户能够立即开始收集传感器数据，并在平板电脑或智能手机上分析结果。该应用程序会对通过 LMP91000 AFE 收集的原始数据执行必要的后处理，并通过 CC2541 进行数字化和传输。

总结

IoT 提供了难得的机遇，以高成本效益的方式大幅扩充空气质量监测，具体取决于价格实惠且易于部署的新一代检测站的供应情况。利用最新的传感器和 IC 技术，可以开发出低成本的小型传感器模块，用于检测全球健康和环境监测计划都高度关注的臭氧、甲烷和 NOx 等污染物。这些模块通过实现更普遍的监测来收集可靠的空气质量数据，可以在帮助预防与较差的户外空气质量相关的疾病以及延长世界各地的人均预期寿命方面发挥重要作用。