Передовые сенсорные технологии позволяют персонализировать мониторинг качества воздуха

Это повсюду вокруг нас, но, если нет проблемы, мы обычно не заботимся о том, что находится в воздухе, которым мы дышим. Как в помещении, так и на улице плохое качество воздуха может сильно повлиять на наше здоровье и благополучие. Двумя важными показателями для измерения загрязнения воздуха являются мелкие твердые частицы (ТЧ) размером 2,5 мкм (микрон) или менее (ТЧ2,5) и летучие органические соединения (ЛОС). Они, например, выбрасываются в домах от каминов и свечей во время процессов горения. Обычные предметы, такие как моющие средства, мебель или текстиль, также могут выделять летучие органические соединения. В этой статье рассказывается о новых технологиях определения ТЧ2,5 и ЛОС, которые позволяют осуществлять индивидуальный мониторинг качества воздуха для улучшения здоровья и благополучия людей.

Персональный мониторинг PM2.5

Мы знаем, что воздействие твердых частиц может вызвать серьезные проблемы со здоровьем, и Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) заявляет:«Снижая уровень загрязнения воздуха, страны могут уменьшить бремя болезней. от инсульта, болезней сердца, рака легких, а также хронических и острых респираторных заболеваний, включая астму ». ¹

Хотя твердые частицы имеют широкий диапазон размеров частиц, наибольшее воздействие на здоровье человека оказывают твердые частицы в диапазоне PM2,5, ² которые меньше 2,5 мкм в диаметре. Эти мельчайшие частицы PM2,5 могут легко попасть глубоко в легкие и вызвать серьезные проблемы со здоровьем. Хотя исследования все еще продолжаются, есть доказательства того, что воздействие PM2,5 может быть связано с чувствительностью к вирусным заболеваниям, включая SARS-CoV-2, как обсуждалось в недавнем исследовании Гарвардского университета. ³

Официальные станции мониторинга качества воздуха предоставляют только консолидированные или усредненные данные о внешней среде без соответствующих данных о воздухе внутри помещений. Они не генерируют персонализированную информацию и измеряют качество воздуха только в непосредственной близости от них, которое усредняется за период времени, и поэтому им не хватает информации в реальном времени для отслеживания быстро меняющейся окружающей среды вокруг нас и для мониторинга колебаний в местных уровнях PM.

Эту проблему может решить переносное устройство для измерения качества воздуха или дозиметр для измерения загрязнения воздуха - например, в наших смартфонах или носимых устройствах. До сих пор датчики PM2,5 были слишком большими для мобильных устройств. Компания Bosch Sensortec недавно разработала сенсорную технологию, которая теперь может сделать мониторинг личного воздействия загрязненного воздуха реальностью.

Благодаря новой технологии Bosch PM2.5 теперь можно интегрировать определение PM2,5 в мобильные устройства для измерения ежедневного воздействия PM на человека. Пользователю могут быть показаны данные и тенденции в отношении локальных уровней загрязнения, которым они подвергаются. Мониторинг личного воздействия загрязнения воздуха (например, с помощью смартфона) позволяет пользователям получать надежную и прозрачную информацию, которая позволяет им принимать меры и минимизировать воздействие PM2,5 в соответствии с рекомендациями ВОЗ по качеству воздуха. ⁴ Это может помочь улучшить здоровье и благополучие людей.

Например, Рисунок 1 демонстрирует демонстрационное приложение дозиметра PM2.5, которое было создано в сотрудничестве с компанией BreezoMeter. Приложение Dosimeter рассчитывает индивидуальное суточное воздействие ТЧ путем объединения данных о ТЧ, измеренных локально с помощью сенсорной технологии Bosch PM 2.5, и данных о загрязнении воздуха BreezoMeter.

Рис. 1. Дозиметр для измерения твердых частиц

Технология крошечного датчика твердых частиц

Обычные оптические потребительские датчики PM основаны на встроенном вентиляторе, который пропускает воздух через ячейку, где регистрируется количество твердых частиц и рассчитывается концентрация на единицу объема. Проблема с этим подходом заключается в огромных физических размерах такого датчика, обычно размером со спичечный коробок, что делает его непрактичным для использования в плоском портативном устройстве, таком как смартфон.

Уникальная технология датчиков PM, недавно разработанная Bosch Sensortec, требует для работы только естественного потока окружающего воздуха. В его основе лежит принцип работы камеры:три безопасных для глаз лазера класса 1 интегрированы за стеклянной крышкой аналогично камерам в смартфоне.

Этот новаторский подход позволяет Bosch Sensortec разработать решение для обнаружения твердых частиц с существенно меньшими физическими размерами, которое занимает примерно одну пятисотую (0,2%) от объема других решений, представленных на рынке. Уменьшение размера до размера спичечной головки делает эту новую технологию идеальной для личного измерения PM2,5 в потребительских устройствах. Он имеет низкое энергопотребление, не требует обслуживания и может быть интегрирован в водонепроницаемое приложение.

Обнаружение ЛОС

Другой источник беспокойства в воздухе - это летучие органические соединения (ЛОС), которые представляют собой довольно большую группу химически активных газов, которые могут появиться в любом помещении. Поскольку люди обычно проводят 90% своей жизни в помещении, концентрация ЛОС в окружающем воздухе в помещении может существенно повлиять на наше благополучие и здоровье.

Датчик ЛОС может обнаруживать широкий спектр газов как внутри зданий, так и на открытом воздухе, таких как (углеводородные) соединения углерода (например, спирт или CO), соединения сульфидов (вызывающие неприятные запахи, например, H ₂ S) и растворители (например, ацетон). Они поступают, например, из красок, лаков или моющих средств. В умном доме информация о ЛОС помогает управлять несколькими устройствами, например включать и выключать кухонную вытяжку или запускать очиститель воздуха. Кроме того, его можно использовать для генерации предупреждений; например, обнаружив пожар или даже испорченную пищу в холодильнике. Данные VOC также можно использовать с другими приложениями Интернета вещей; например, оптимизация вентиляции в офисном здании с учетом качества воздуха.

Рис. 2. Влияние ЛОС и PM2,5 на качество воздуха

Для измерения ЛОС компания Bosch разработала компактный высокопроизводительный датчик газа. BME680 - это самое компактное в мире решение, обеспечивающее комплексный мониторинг качества воздуха. Он может измерять температуру окружающей среды, барометрическое давление, относительную влажность и содержание газов и размещается в корпусе размером 3 × 3 × 0,93 мм ³ упаковка. Он работает в диапазоне сверхнизкого энергопотребления до менее 0,1 мА.

Датчик может различать свежий воздух (т.е. чистый воздух, в основном азот, кислород и влажность) и использованный воздух с дополнительными загрязнителями. Обычно, когда люди находятся в комнатах, выдыхаемый воздух является одной из важнейших причин плохого качества воздуха. Знание количества выдыхаемого воздуха, содержащегося в окружающем воздухе, помогает оптимизировать вентиляцию и, таким образом, помогает предотвратить передачу воздушно-капельным путем таких инфекций, как SARS-CoV-2. ⁵ Хотя датчики ЛОС не могут напрямую обнаруживать вирусы, они косвенно способствуют здоровью и благополучию людей.

Интеллектуальное программное обеспечение превращает собранные данные датчиков в полезные выходные данные для пользователей. Благодаря сочетанию современных методов обнаружения газа с искусственным интеллектом, теперь можно распознавать и классифицировать различные окружающие условия, что открывает множество новых приложений.

Давайте рассмотрим продвинутый пример оценки рисков при картировании климата лесов и раннем обнаружении лесных пожаров. Во-первых, сенсорная сеть отображает всю территорию с обзором всей экологической деятельности в режиме реального времени. Во-вторых, машинное обучение используется для создания математической модели на основе необработанных данных для классификации и прогнозирования различных ситуаций и оценки риска. В-третьих, периферийный ИИ используется для адаптации конечного продукта к условиям конкретного пользователя и для снижения энергопотребления.

Рис. 3. Пример климата леса

Другое приложение может определять, когда ребенку нужно сменить подгузник. Аппаратное обеспечение датчика может измерять температуру, давление, влажность и присутствие газов, но родители не хотят такого уровня детализации; им просто нужно знать, когда требуются действия. Поскольку около 19% населения старше 20 лет страдают расстройствами обоняния, эта «основная» информация может помочь им восстановить определенное качество жизни. ⁶ Математическая модель, разработанная с помощью машинного обучения, может использоваться для преобразования необработанных данных датчика в простую индикацию состояния, при этом ИИ выполняет точную настройку модели в процессе работы.

Рис. 4. Применение подгузников

Bosch продолжает расширять ассортимент газовых датчиков, добавляя новые возможности и открывая новые варианты использования. Новые технологии обнаружения газа будут включать более сложное программное обеспечение и более широкий спектр возможностей обнаружения газа. Например, датчик газа может обнаруживать различные составы газа, что при сравнении со справочными данными позволяет распознавать запахи ( Рисунок 5 ). Примерами вариантов использования могут быть мониторинг состояния чистоты общественных мест, классификация неприятного запаха изо рта или обнаружение испорченных продуктов.

Рис. 5. Измерения окружающей среды обнаруживают различный состав газа.

Заключение

Создавая точные, персонализированные данные о качестве воздуха в режиме реального времени, эти новые сенсорные технологии изменят то, как мы оцениваем качество воздуха вокруг нас, и позволят нам реагировать соответствующим образом. Мы лучше спланируем время выхода на улицу, чтобы адаптировать наши поездки на работу или занятия спортом. Мы будем управлять качеством воздуха в наших домах, контролируя вентиляцию и избегая образования частиц. При адаптации в более широком масштабе это также поможет нам принимать обоснованные решения; например, при переезде в новый район или когда решаете, куда поехать в отпуск. С ростом осознания необходимости сохранять окружающую среду и наше здоровье, спрос на оборудование для контроля качества воздуха будет продолжать расти в будущем.

Технологии измерения качества воздуха Bosch достаточно малы, чтобы их можно было использовать в плоских портативных устройствах, таких как смартфоны, и достаточно дешевы для широкого внедрения, что принесет заметные выгоды как для человека, так и для общества в целом.

Ссылки

¹ ВОЗ, «Загрязнение окружающего (наружного) воздуха», https://www.who.int/news-room/…

² Департамент окружающей среды, продовольствия и сельских районов, Общественное здравоохранение:«Источники и эффекты PM2,5», https://laqm.defra.gov.uk/publ…

³ Гарвардский университет, «Связь загрязнения воздуха с более высоким уровнем смертности от коронавируса», https://www.hsph.harvard.edu/b…

⁴ https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health

⁵ Environment International:«Передача SARS-CoV-2 воздушным путем:мир должен взглянуть в глаза реальности», 2020, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016041202031254X

⁶ Гарвардская медицинская школа:«Расстройства обоняния:когда ваше обоняние сбивается», 2018, https://www.health.harvard.edu/blog/smell-disorders-when-your-sense-of-smell-goes-astray -2018121215539

>> Эта статья была первоначально опубликована на наш дочерний сайт EEWeb.