人們經常聽聞室外空氣污染的問題，然而，美國環境保護署（EPA）表示，美國人有長達 90% 的時間是處于室內，大大超過了室外。因此，如果住宅、辦公室、商店、健身房和餐廳內的空氣不清新、不干凈，就可能引發重大的健康風險。根據世界衛生組織（WHO）數據，在極端情況下，室內空氣污染每年導致320多萬人過早死亡。
美國國家環境健康服務研究所（U.S. National Institute of Environmental Health Services）列出了室內污染源，包括建筑物內的人類活動，如吸煙、燃燒固體燃料、烹飪和清潔；還有來自建筑和施工材料、設備和家具的水汽；以及生物污染物，如霉菌、病毒或過敏源。
其中許多污染物必定要通過特定的技術才能檢測到。例如，燃氣加熱器產生的一氧化碳是無味的。如果排放得當，這種廢氣是安全的。當突然發生嚴重泄漏，傳統的一氧化碳報警器會在一氧化碳濃度達到危險程度時發出警報。可是，如果出現低于傳統報警器閾值的持續低濃度泄漏，情況就會迅速惡化。雖然這種程度的一氧化碳泄漏不太可能致命，但長期接觸一氧化碳會導致肌肉骨骼損傷、疲勞和記憶力減退等嚴重癥狀。
幸運的是，物聯網（IoT）提供了解決方案。物聯網網絡能夠更細致、更及時地應對潛在的危險，尤其是對于長期、低程度地暴露于污染的情況。無線技術的最新進展為室內空氣質量測量和監測提供了多種可擴展的解決方案。這些技術的進步使我們可以靈活安置各種傳感器，獨立于本地IT 網絡以外；然后結合傳感器數據和智能分析，便能夠更好地了解影響室內空氣質量的因素。


改善室內環境條件
低功耗藍牙等基礎物聯網技術，適用于在建筑物內對空氣進行采樣的小型電池供電傳感器；而低功耗Wi-Fi技術則理想用于可充分利用現有Wi-Fi 接入點之空氣質量傳感器。這兩種技術都能將數據傳輸到資源充足的 Wi-Fi 網關，而 Wi-Fi 網關又將數據轉發到云端以供遠程訪問。另外，建筑物范圍內的低功耗藍牙網絡可將數據傳輸到蜂巢式物聯網網關，無需使用Wi-Fi即可將數據轉發到云端。
由于無線解決方案不需要布線，因此很容易整合到新蓋的建筑中，或改造加入到現有建筑中。由于這些傳感器不使用實體電線，可以輕松巧妙地安放在需要的位置；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。
與傳統傳感器相比，新一代傳感器的主要優勢是可以提供連續的數據流，從而識別特定建筑或場所的長期空氣質量趨勢，以實現精確的控制。例如，根據大量的歷史資料，可以在預測花粉數量較多的夏季自動觸發額外的空氣凈化，或者在寒冷并且潮濕時增加通風和加熱操作，以阻止霉菌生長。
通過邊緣運算功能，當今的物聯網設備能夠過濾這些連續的數據流，只有在需要采取行動改變濕度、溫度、通風或凈化時，才將信息發送到智能手機、網關或直接發送到云端。這樣可以降低能耗，而且，如果設備使用受管制的無線電頻譜，還可以減少數據費用。
物聯網可與智能空氣凈化、過濾系統和智能供暖、通風和空調（HVAC）整合，從而實現靈活性和精確性。例如，如果濕度開始上升，導致霉菌滋生，暖通空調系統就可以加強除濕功能。或者，當傳感器在空氣中檢測到二氧化碳、揮發性有機化合物（VOC）（這是空氣中對人體健康威脅最大的物質之一）或其他污染物時，整合系統可以自動加強過濾操作。
VOC廣泛應用于油漆、涂料以及清潔、消毒和除油污產品中，根據美國環境保護署（EPA）資料，室內的VOC濃度可能比室外高出10倍，并可能導致嚴重的健康問題，包括頭痛、惡心以及對肝臟、腎臟和中樞神經系統的潛在損害。


促進教育部門提升空氣清潔度
商用無線空氣質量監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生學習效果與室內環境質量相關，促使新西蘭教育部發起了Te Haratau 計劃。

AirSuite 的室內監測器Glance可用于檢測和記錄一系列環境變量，這些變量可能影響商業、工業和家庭環境中人們的健康和工作效率。AirSuite Glance 采用一系列傳感器來監測二氧化碳、VOC、溫度和濕度，以及聲音、光照度和氣壓。

 
圖一 : AirSuite Glance采用一系列傳感器來監測二氧化碳、VOC、溫度和濕度。

AirSuite使用Nordic Semiconductor的nRF52840系統單芯片（SoC）提供的低功耗藍牙連接，每分鐘將數據直接傳輸到用戶的智能手機，而Nordic nRF9160系統級封裝（SiP）則提供LTE-M 或 NB-IoT（蜂巢式物聯網）連接，至少每 15 分鐘將相關數據發送到云端。通過專用app和網絡平臺，當環境指標超過或低于預定閾值時，用戶可以進行監督和接收通知。

監測智能建筑的空氣質量
另外，法國物聯網傳感器專業公司Adeunis開發專為智慧建筑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，可向云端提供近乎實時的數據。Nordic的nRF9160 SiP為它們提供完善的蜂巢式物聯網連接，同時支持NB-IoT和LTE-M網絡。

 
圖二 : COMFORT Serenity采用 Nordic的nRF9160 SiP，同時支持NB-IoT和LTE-M無線網絡。

Adeunis 射頻硬件開發人員Catalina Raba Mora 解釋道：「高濃度二氧化碳或VOC都會對健康產生不利影響，因而需要進行監測并維持安全水平，而通過使用我們的傳感器產品，大樓監管人員能夠立即獲取可能暴露于高濃度二氧化碳或VOC的重要數據。此外，我們的設備還能通過精確的溫度和濕度測量，確保建筑物內的住戶獲得舒適的環境。」
Nordic的nRF9160 SiP具有64 MHz Arm Cortex-M33專用應用處理器，提供充足的處理能力，能夠管理整合在COMFORT和COMFORT Serenity設備中的傳感器套件。

 
圖三 : nRF9160 SiP可讓空氣質量傳感器通過蜂巢網絡將數據發送到云端。

兩款Adeunis設備都采用帶有NFC界面的直觀Android應用程序，可簡化網絡和應用配置。使用nRF9160 SiP將設備數據傳輸到云端后，用戶就可以查看和管理這些信息。云服務器可以提供有關傳感器運行狀態、電池壽命、網絡質量和數據接收情況的全面信息。用戶可以委托他人管理設備，遠程配置設備，并根據收集到的資料采取必要的措施。
除了檢測二氧化碳和VOC，無線空氣質量監測還可用于識別室內環境中的其他潛在危險屬性。例如，印度的產品工程服務機構Technosphere代表 P Alert Industries 開發了預防性解決方案，可讓物業管理人員和房主檢測建筑物內是否存在甲基苯丙胺。
如果在物業內檢測到吸入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出警報。利用Nordic nRF9160 SiP 提供的蜂巢式物聯網連接，可將警報和實時甲基苯丙胺含量報告轉發到相關的安全云端平臺。這款解決方案提供持續監控，用戶可以設置檢測頻率。


新一代無線技術優化健康狀況
根據 Markets and Markets報告，全球空氣質量監測系統市場預計到2028年將達到69 億美元，下一步是推出全新一代無線 SoC。Nordic多協議SoC產品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設計），并通過高整合度降低了總體材料成本（BoM）。
nRF54L15可以支持包括藍牙 5.4、藍牙 NLC/Mesh 1.1、Matter、KNX IoT 等多種協定，是低功耗、成本優化型終端設備的理想選擇。nRF54H20則適用于需要更強處理能力且不影響功耗的高階設備或單芯片網關應用（例如與用于 Wi-Fi 的 nRF7002協同IC 相結合）。

 
圖四 : nRF54H20適用于需要更強處理能力且不影響功耗的高等空氣質量傳感器。

這兩款SoC 都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ML模型。然后將這些模型應用于傳感器，進而有助于智能化調整大樓系統和暖通空調系統，使得居住者獲得最佳的健康條件和舒適度。
例如，大樓系統可以根據特定事件自動調整設置，如在一天中的特定時間，根據預期的大樓占用率增加情況開啟空氣凈化器或除濕器，然后在人們離開大樓時關閉設備。這樣的設備優化可以在不必使用時關機，從而降低能耗，同時為居住者精心營造舒適的室內環境。
通過將機器學習進一步整合到無線空氣質量監測中，有望提供更強大的預測性洞察力，協助做出明智的決策，為人們改善健康。最終，物聯網解決方案將為人們生活的所有室內場所帶來清新的空氣。
（本文作者Lorenzo Amicucci為Nordic Semiconductor業務發展經理）