利用傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)并解決環(huán)境問(wèn)題，打造可持續(xù)未來(lái)

作者：e絡(luò)盟技術(shù)團(tuán)隊(duì)

要想打造可持續(xù)未來(lái)，傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的作用至關(guān)重要。全球能耗上升、能源密集型制造工藝、家用電器產(chǎn)生的溫室氣體、畜牧生產(chǎn)和焚燒作物秸稈等粗放型耕作方式都是造成氣候危機(jī)的原因。所有這些因素都增加了環(huán)境中的二氧化碳 (CO2) 含量，影響了人們的生活質(zhì)量。各種傳感器功能各異，對(duì)收集環(huán)境多個(gè)方面的準(zhǔn)確和可靠的數(shù)據(jù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。傳感器是評(píng)估空氣和水質(zhì)、土壤健康甚至氣候狀況不可或缺的工具。先進(jìn)的傳感器能夠精確、高效地實(shí)時(shí)收集這些數(shù)據(jù)。本文詳細(xì)闡述為打造綠色環(huán)境，通過(guò)估算室內(nèi)環(huán)境、農(nóng)田和畜牧業(yè)中的溫室氣體來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境時(shí)所需的傳感解決方案。

家用電器中溫室氣體檢測(cè)的必要性

溫室氣體可以用全球變暖潛能值 (GWP) 來(lái)定義。GWP 衡量溫室氣體對(duì)大氣的潛在影響，以相對(duì)于參考?xì)怏w CO2 的系數(shù)表示。減少住宅環(huán)境中的溫室氣體排放對(duì)于減緩全球氣候變化至關(guān)重要。冰箱、暖通空調(diào)、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)等室內(nèi)家用電器是溫室氣體的重要來(lái)源。商業(yè)制冷行業(yè)和暖通空調(diào)應(yīng)該優(yōu)先努力減少溫室氣體的排放，為可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

二氧化碳 (CO2) 傳感器基于光聲光譜 (PAS) 原理工作，可以檢測(cè)甲烷、丙烷、R-32 和 R454B 氣體等，所有這些氣體都是溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

光聲光譜 (PAS) 原理

在光聲光譜 (PAS) 中，來(lái)自紅外光源的脈沖形式的光通過(guò)一個(gè)調(diào)諧到目標(biāo)測(cè)量氣體的吸收波長(zhǎng)的光學(xué)濾波器。測(cè)量室中的氣體分子吸收每一個(gè)脈沖的濾波光，使它們振動(dòng)并產(chǎn)生壓力波。這種現(xiàn)象被稱為“光聲效應(yīng)”。針對(duì)低頻操作進(jìn)行了優(yōu)化的聲學(xué)檢測(cè)器檢測(cè)產(chǎn)生的壓力變化，微控制器則將輸出轉(zhuǎn)換為氣體濃度讀數(shù)。吸收室可以隔離外界噪音，以提供精確的氣體傳感數(shù)據(jù)。

圖 1： 光聲光譜技術(shù)（資料來(lái)源）

如圖 1 所示，許多行業(yè)和應(yīng)用都使用光聲光譜技術(shù)，特別是在檢測(cè)制冷劑泄漏方面。其靈敏度高、選擇性強(qiáng)，能夠檢測(cè)到目標(biāo)氣體的微小濃度，有助于區(qū)分各種制冷劑。這種特殊性有助于將制冷劑泄漏與環(huán)境中其他常見(jiàn)氣體區(qū)分開(kāi)來(lái)。此外，PAS 技術(shù)還具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

英飛凌的 XENSIVTM PAS CO2

英飛凌的XENSIVTM CO2 傳感器精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，具有 SMD 功能，因此適用于室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)解決方案、暖通空調(diào)家用電器、智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、農(nóng)業(yè)/溫室和艙內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置。

圖 2： PAS CO2 V019（資料來(lái)源）

圖 3： PAS CO2 傳感器方框圖（資料來(lái)源）

如圖 3 所示，該傳感器采用針對(duì)低頻工作進(jìn)行優(yōu)化的 MEMS 擴(kuò)音器，使其能夠檢測(cè)腔內(nèi) CO2 分子產(chǎn)生的壓力變化。XENSIVTM 的直接 ppm 讀數(shù)、卷帶包裝、SMD 功能和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)使其能夠快速輕松地集成到客戶的系統(tǒng)中，可用于小批量和大批量應(yīng)用。

圖 4： 帶有 CO2 傳感器的室內(nèi)暖通空調(diào)監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量的示例（資料來(lái)源）

圖 4 顯示了帶有 CO2 傳感器的室內(nèi)暖通空調(diào)設(shè)備。您可以通過(guò)暖通空調(diào)設(shè)備調(diào)節(jié)房間的通風(fēng)。這種調(diào)節(jié)是通過(guò)微控制器產(chǎn)生 I/O 信號(hào)，進(jìn)而啟動(dòng)室內(nèi)風(fēng)扇降低室內(nèi) CO2 含量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這樣，暖通空調(diào)系統(tǒng)可在監(jiān)測(cè)空間內(nèi)保持適宜的空氣質(zhì)量。

圖 5： 家庭環(huán)境中的CO2監(jiān)測(cè)示意圖，26 英尺 x 21 英尺空間，1 人居?。ㄙY料來(lái)源）

圖 5 顯示了空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉的情況下，在通風(fēng)不良的空間中監(jiān)測(cè) CO2 的情況。白天在只有一個(gè)人居住和露臺(tái)門(mén)打開(kāi)的情況下（曲線上的第一個(gè)凹點(diǎn)），CO2 水平顯著下降。居住者始終與傳感器保持大約 1 到 2 英尺的距離，用筆記本電腦工作，呼吸規(guī)律。曲線的后半部分表示居住者離開(kāi)封閉空間后，曲線從較高的 CO2 水平下降到更健康（綠色）的室內(nèi)空氣質(zhì)量。

每分鐘進(jìn)行一次讀數(shù)，圖表會(huì)迅速更新，以反映 CO2 濃度的變化。這種監(jiān)測(cè)在居住者較多的小環(huán)境中必不可少，可以清楚地表明需要改善氣流。

總揮發(fā)性有機(jī)化合物 (TVOC) 檢測(cè)可以改善室內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的空氣質(zhì)量

揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC) 是室內(nèi)空氣質(zhì)量差的主要原因。這種檢測(cè)用來(lái)監(jiān)測(cè)學(xué)校、公共建筑和家庭等關(guān)鍵場(chǎng)所的污染物，如洗滌劑、香水、烹飪?cè)系取?/p>

圖 6： 家中 TVOC 的來(lái)源（資料來(lái)源）

揮發(fā)性有機(jī)化合物的來(lái)源如圖 6 所示。 根據(jù)室內(nèi)裝飾和使用模式的不同，一個(gè)房間內(nèi)可能同時(shí)存在不同的有機(jī)化合物。與 VOC 接觸有關(guān)的健康風(fēng)險(xiǎn)取決于這些化合物的濃度水平。因此，使用可靠和靈敏的儀器來(lái)檢測(cè)其濃度至關(guān)重要。

Renasas 的 ZMOD4410 氣體傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝，生命周期較長(zhǎng)，可以監(jiān)測(cè)不同位置的TVOC。

用于評(píng)估室內(nèi)環(huán)境中 TVOC 濃度的室內(nèi)空氣質(zhì)量 (IAQ) 傳感器

圖 7： ZMOD4410（資料來(lái)源）

Renesas 的 ZMOD4410 氣體傳感器模塊通過(guò)檢測(cè) TVOC 來(lái)監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量 (IAQ)。它利用氣體比 TVOC 更容易檢測(cè)的事實(shí)來(lái)估算 CO2 水平。該傳感器模塊能夠可靠地估算出室內(nèi)環(huán)境中 TVOC 與 CO2 濃度的相關(guān)性。該模塊可以在各種條件下有效工作，包括潮濕和多塵的應(yīng)用環(huán)境，如噴霧、冷凝或浸泡等。傳感元件是硅基微熱板，采用堅(jiān)固且高靈敏度的金屬氧化物 (MOx) 化學(xué)電阻器。

基于 MOX 的 TVOC 傳感器測(cè)量 TVOC 濃度，并使用該數(shù)據(jù)估算人為產(chǎn)生的 CO2 濃度 (eCO2) 基數(shù)。公式 1 顯示了比例常數(shù)。

eCO?=a*b+TVOC -------- 公式 1

其中，b 為人為產(chǎn)生的 CO2 與TVOC的比值，a 為恒定偏移量。

為了提高估算 CO2 濃度的準(zhǔn)確性，設(shè)定了具體的界限，最小濃度為地球大氣中 CO2 的濃度，約為 400 ppm。室內(nèi)濃度應(yīng)該低于這個(gè)值。在家庭或室內(nèi)環(huán)境中，最高濃度不太可能超過(guò) 5000 ppm。

圖 8： 廚房中 TVOC 測(cè)量和相應(yīng)的 eCO2示例（資料來(lái)源）

圖 8 顯示了一小時(shí)內(nèi)在廚房中進(jìn)行的一系列測(cè)量。在數(shù)據(jù)采集開(kāi)始時(shí)，隨著人們進(jìn)出廚房， TVOC（縱坐標(biāo) y 軸，單位為 mg/m3）和 eCO2（縱坐標(biāo) y 軸，單位為 ppm）水平都會(huì)因人體呼吸活動(dòng)或 CO2 的釋放而上升。然而，在烹飪過(guò)程中，廚房氣體中只有 TVOC 水平上升，而 eCO2 水平保持不變。

用于可持續(xù)農(nóng)業(yè)實(shí)踐的傳感器

由于對(duì)環(huán)境的不利影響，農(nóng)民面臨著放棄傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)的壓力，如焚燒作物秸稈和密集耕作。此外，養(yǎng)牛會(huì)通過(guò)牛的腸道發(fā)酵（消化過(guò)程）和糞便產(chǎn)生甲烷 (CH4)，進(jìn)一步加劇了環(huán)境問(wèn)題。專(zhuān)為可持續(xù)農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)的傳感器可提供技術(shù)解決方案，提高生產(chǎn)力和成本效益，減少導(dǎo)致全球變暖的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品。例如，這些傳感器可通過(guò)密切監(jiān)測(cè)動(dòng)物個(gè)體健康狀況，并相應(yīng)地調(diào)整其營(yíng)養(yǎng)，以預(yù)防疾病和改善群體健康。它們還有助于檢查土壤狀況，以便有針對(duì)性地施用農(nóng)藥和化肥。

圖 9： NTAG 智能傳感器（資料來(lái)源）

恩智浦的 NTAG 智能傳感器可以提供有關(guān)動(dòng)物健康狀況、土壤條件和優(yōu)化生長(zhǎng)條件等方面的信息。NHS3152 是 NTAG 智能傳感器系列的一員，其 IC 專(zhuān)門(mén)針對(duì)治療依從性監(jiān)測(cè)和記錄進(jìn)行了優(yōu)化。它具有嵌入式 NFC 接口、內(nèi)部溫度傳感器，和電池直連功能。這些功能支持有效的系統(tǒng)解決方案，只需最少的外部元件和單層箔片即可監(jiān)測(cè)藥物使用情況。它既可以通過(guò)電池供電，也可以采用 NFC 供電。它包含多項(xiàng)功能，包括斷電模式和可選擇的 8 MHz 或更低的 CPU 頻率，以實(shí)現(xiàn)超低功耗。

e絡(luò)盟與供應(yīng)商合作，提供各種環(huán)境傳感器和相關(guān)配件，如氣體檢測(cè)傳感器、濕度傳感器、PH值傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、溫度傳感器和 TVOC 傳感器等。

結(jié)語(yǔ)

傳感技術(shù)在解決環(huán)境問(wèn)題和打造可持續(xù)未來(lái)方面具有巨大潛力。CO2和TVOC等傳感器通過(guò)監(jiān)測(cè)家用電器排放的溫室氣體，有助于保持室內(nèi)空氣質(zhì)量。這些傳感器對(duì)于創(chuàng)造宜居環(huán)境至關(guān)重要。同樣，利用傳感器來(lái)確定耕作和牲畜管理所需肥料的數(shù)量，可以減少農(nóng)業(yè)產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品。通過(guò)采用和推廣綠色科技，我們可以減少 CO2 排放，改善整體環(huán)境質(zhì)量。