【導(dǎo)讀】今天，當(dāng)我們查詢電氣預(yù)報時，除了陰晴雨雪和溫度這些常規(guī)的信息之外，還會對“大氣污染指數(shù)”格外關(guān)注，因為大家都知道，空氣質(zhì)量的優(yōu)劣與人們的身體健康息息相關(guān)。不過你是否意識到，當(dāng)我們普遍對“宏觀”的室外空氣質(zhì)量變得越發(fā)在意時，對于“微觀”的室內(nèi)空氣質(zhì)量也需要投以同樣的，甚至是更多的關(guān)注。
室內(nèi)空氣質(zhì)量（Indoor Air Quality，IAQ）之所以更重要，是因為有研究數(shù)據(jù)表明，人們約80%到90%的時間都是在封閉的室內(nèi)度過的——這些“室內(nèi)”空間不僅限于家庭，還包括辦公室、建筑、公共場所，以及交通工具等——因此一旦室內(nèi)空氣質(zhì)量不佳，對人們健康的負面影響也更為嚴重。
而且，隨著人們對于減少建筑能耗的訴求越來越強烈，現(xiàn)代建筑的密閉性也越來越好，這在減少室內(nèi)冷氣或暖氣耗散到室外的同時，也使得室內(nèi)空氣的流通和置換速度減慢，這也會進一步加速室內(nèi)污染物的聚集，導(dǎo)致空氣質(zhì)量變差。
有數(shù)據(jù)顯示，室內(nèi)空氣污染是室外空氣污染的5倍，室內(nèi)空氣質(zhì)量也已經(jīng)被列為危害公眾健康的五大環(huán)境風(fēng)險之一。因此，關(guān)注和改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的工作刻不容緩。
室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)鍵指標
為了改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，一方面人們通過制定相關(guān)的法規(guī)和標準，劃定室內(nèi)空氣質(zhì)量的“紅線”；另一方面，人們也在努力嘗試通過更有效的技術(shù)手段，去優(yōu)化空氣質(zhì)量，比如通過空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)加速室內(nèi)空氣的流通，以物理或化學(xué)的方法吸附污染物或?qū)ζ溥M行無害化的“中和”處理……但所有這些舉措的前提，都是要對室內(nèi)空氣質(zhì)量進行一個準確的測量。
一般來講，衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞，需要監(jiān)測以下幾個重要的指標：
CO2（二氧化碳）
人類新陳代謝活動會吸入氧氣并呼出二氧化碳，因此在封閉空間中，二氧化碳濃度與人類活動和人員密度相關(guān)，因此往往被作為空氣質(zhì)量優(yōu)劣的標志性指標?？諝庵械亩趸紳舛冗^高，會影響人體二氧化碳的排出和氧氣的攝入，可能會導(dǎo)致頭痛、困倦、精神萎靡等癥狀，或者是減弱身體抵御病原體的能力，危害健康。
氮氧化物
氮氧化物主要由化石燃料燃燒產(chǎn)生，會造成顆粒污染。特別是二氧化氮（NO2），會對呼吸系統(tǒng)造成損害。因此空氣中氮氧化物濃度升高，會對人們的肺功能產(chǎn)生不利影響。
甲醛
甲醛是一種無色的刺激性氣體，通常存在于裝修材料、家具、油漆以及織物中，因此在新裝修的室內(nèi)空間中十分常見。較高濃度的甲醛會導(dǎo)致眼睛、呼吸系統(tǒng)的不適，長期暴露在這樣的環(huán)境中還可能引發(fā)癌癥等更嚴重的疾患。
VOC（揮發(fā)性有機化合物）
VOC是在室溫或更高溫度下蒸發(fā)的含碳物質(zhì)。短期接觸VOC，會刺激身體、導(dǎo)致頭暈或引發(fā)哮喘；長期接觸VOC，則可能會導(dǎo)致肺癌或損害肝臟、腎臟或神經(jīng)系統(tǒng)。
顆粒物
主要是指一些微米級別的顆粒物，常見的如灰塵、塵螨、霉菌或花粉等，它們會導(dǎo)致過敏反應(yīng)和誘發(fā)呼吸系統(tǒng)、心血管疾病。有些致病的病毒或病菌也會附著在這些細小的顆粒物上，隨它們進入人體，導(dǎo)致疾病的傳播和流行。
溫濕度
溫濕度也是室內(nèi)空氣質(zhì)量的一個重要風(fēng)向標。一般認為，40-60%的相對濕度是人類理想的舒適度范圍，如果超出這個范圍——極度干燥的空氣會刺激呼吸道，而過于潮濕的空氣會導(dǎo)致冷凝，進而引發(fā)霉菌滋生，這都會成為置身室內(nèi)的處于不健康或亞健康狀態(tài)的主要誘因。
掌握了上述這些關(guān)鍵的指標數(shù)據(jù)，你就可以對室內(nèi)空氣質(zhì)量心知肚明，進而及時觸發(fā)優(yōu)化空氣質(zhì)量的設(shè)備，提供一個健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境。
感測室內(nèi)空氣質(zhì)量的傳感器
當(dāng)然，對于這些室內(nèi)空氣質(zhì)量的感知和洞察，離不開能夠精準測量這些關(guān)鍵指標參數(shù)的傳感器。人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)注，也為相關(guān)的傳感器提供了用武之地。
如果說人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器有什么要求，那么排在第一位的肯定是“測得準”，畢竟能夠提供及時、精準地測量，是一款優(yōu)秀傳感器產(chǎn)品的基本功。不過針對室內(nèi)空氣測量這個應(yīng)用場景，“測得準”并不是唯一的設(shè)計要求，除此之外其他的一些特性也同樣十分關(guān)鍵。
小型化：外形緊湊的傳感器，可非常方便地部署在室內(nèi)空間中，或被整合進越來越多的智能設(shè)備內(nèi)，實現(xiàn)無處不在的室內(nèi)空氣監(jiān)測和感知。
高集成：在實現(xiàn)小型化的同時，越來越多的傳感器被設(shè)計成一個包含完整系統(tǒng)的模組形態(tài)，更加方便集成和應(yīng)用。同時，在單一傳感器模組內(nèi)集成多種傳感器，實現(xiàn)多指標參數(shù)的測量，也是室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器發(fā)展的一個重要趨勢。
低成本：考慮到這些傳感器會被應(yīng)用在很多消費級的產(chǎn)品中，因此在性能和成本上達到一個合理的平衡，也十分重要。
耐用性：這其中有兩個含義：一是傳感器需要具有出色的可靠性和魯棒性，在長期工作中提供穩(wěn)定的測量；二是需要具有低功耗的特性，以支持更長的續(xù)航能力和低維護性的需要。
易開發(fā)：為了便于與室內(nèi)空氣質(zhì)量相關(guān)的整個自動化系統(tǒng)的開發(fā)，很多傳感器都提供數(shù)字化的數(shù)據(jù)接口。此外，除了提供硬件，傳感器廠商通常也會提供配套的軟件算法，最大限度地簡化開發(fā)過程。
如果你看到一款傳感器能夠達到上述這些要求，恭喜你，它也許就是室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測應(yīng)用所需的理想之選！
Sensirion室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感方案
對于在室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測域深耕多年的Sensirion來說，在其豐富的傳感器產(chǎn)品組合中，這樣的“理想之選”還真不少。今天我們就帶大家來認識其中幾款產(chǎn)品。
SGP41 CMOSens?/MOXSens?數(shù)字空氣質(zhì)量傳感器
Sensirion的SGP41 CMOSens?/MOXSens? 數(shù)字空氣質(zhì)量傳感器是一款完整、易用的單芯片傳感器系統(tǒng)，內(nèi)置數(shù)字I2C接口和溫度控制微熱板，可以提供VOC和NOx室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測。
圖1：SGP41 CMOSens/MOXSens 數(shù)字空氣質(zhì)量傳感器
（圖源：Sensirion）
SGP41為MOX（金屬氧化物）傳感器。MOX材料是可變電阻器，可對所接觸氣體中特定的化學(xué)物質(zhì)做出響應(yīng)——在“干凈”的空氣環(huán)境中，MOX的電阻可能為數(shù)兆歐姆；而在加熱條件下，如果存在特定氣體，MOX材料的電阻將顯著下降至數(shù)十千歐姆；當(dāng)不加熱和/或不接觸被測氣體時，MOX電阻則恢復(fù)為高阻狀態(tài)。
SGP41及其氣體指數(shù)算法具有較高的穩(wěn)健性，可實現(xiàn)獨特的長期穩(wěn)定性和低漂移，使用壽命可超過10年；其采用2.44 mm2x 0.85mm的DFN封裝，可在空間有限的應(yīng)用中使用；在3.3V時功耗僅為3.2mA。
總體來講，這是一款可靠耐用、小型化、低功耗的集成化解決方案，可以幫助客戶輕松搞定室內(nèi)VOC和NOx的監(jiān)測。
圖2：SGP41框圖
（圖源：Sensirion）
SHT4x數(shù)字溫濕度傳感器
SHT4x數(shù)字溫濕度傳感器是Sensirion的第四代溫濕度傳感器，全系列的產(chǎn)品可以滿足不同精度的測量要求，可在寬測量范圍內(nèi)提供恒定溫度精度——其工作相對濕度范圍為0%至100%，工作溫度范圍為-40°C至+125°C，可在冷凝下工作。
圖3：SHT4x數(shù)字溫濕度傳感器
（圖源：Sensirion）
該溫濕度傳感器具有很寬的電壓范圍（1.08V至3.6V），超低的功耗（空閑電流為80nA），以及緊湊的外形（1.5mm x 1.5mm x 0.5mm小型QFN封裝）。
此外，SHT4x已完全校準，具有線性化數(shù)字輸出、NIST可追溯性和I2C快速模式+接口。由于采用卷帶封裝，很適合標準SMD組裝工藝，因此無論是在開發(fā)還是在生產(chǎn)上，都能為用戶提供很大的便利性。
圖4：SHT4x數(shù)字溫濕度傳感器功能框圖
（圖源：Sensirion）
SCD4x微型CO2傳感器
SCD4x是一個“微型”的CO2和溫濕度傳感器，從名稱中可以看出，其顯著的特點就是“小”，體積僅為1cm3。之所以可以實現(xiàn)微型化，是因為SCD4x采用了獨特的光聲感測法（Photoacoustic）。
圖5：傳感器SCD4x微型CO2傳感器
（圖源：Sensirion）
以往常見的CO2傳感器采用的是非分散紅外（NDIR）測量方案，其工作原理是氣體被抽入或擴散到光學(xué)腔中，由于CO2對特定波長（4.26μm）的紅外光有較強的吸收作用，因此通過測量光學(xué)腔中紅外光線被吸收程度，就能夠計算出空間中氣體CO2的濃度。這種方法的特點是精度高，但是為了確保精度，對光學(xué)腔的體積有下限要求，因此注定整個方案的尺寸難于壓縮。
SCD4x所采?的光聲NDIR感測法不同：該系統(tǒng)的紅外光源會向氣室中發(fā)射一個特定頻率的窄帶紅外光，它會激發(fā)氣室中的CO2使其發(fā)生振動，這種振動會導(dǎo)致氣體溫度升高，進而導(dǎo)致氣壓升高。通過控制紅外光源的開關(guān)，氣室內(nèi)的氣壓會產(chǎn)生周期性的變化，這種壓力變化會被氣室中內(nèi)置的麥克風(fēng)記錄并轉(zhuǎn)換為聲波，就可以通過監(jiān)測聲波的參數(shù)得到氣室中CO2的濃度。
這種方法無需體積較大且復(fù)雜的光學(xué)腔，因此可以將整個傳感器的體積大大減小。比如，SCD4x的占位?積僅為基于傳統(tǒng)NDIR技術(shù)傳感器SCD30的1/5。
圖6：SCD4x與采?傳統(tǒng)NDIR技術(shù)的SCD30的外形比較（圖源：Sensirion）
同時，在性價比、機械穩(wěn)定性、傳感器輸出方面，基于光聲NDIR感測的?案都有明顯的優(yōu)勢。
圖7：與傳統(tǒng)透射式NDIR?案相比，基于光聲NDIR感測的SCD4x具有顯著的優(yōu)勢（圖源：Sensirion）
除了上述的優(yōu)勢特性，SCD4x系列傳感器還集成了優(yōu)質(zhì)的濕度和溫度傳感器，可提供兩個額外傳感器輸出，可滿足智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、汽車、暖通空調(diào)、家電和消費品等不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求。
圖8：SCD4x 光聲NDIR CO2傳感器功能框圖
（圖源：Sensirion）
SEN5x環(huán)境傳感器節(jié)點
細心地小伙伴們可能已經(jīng)注意到，在上面這幾款Sensirion空氣質(zhì)量傳感器中，在單一器件中已經(jīng)可以實現(xiàn)多個指標的測量，比如SCD4x就同時可以監(jiān)測CO2和溫濕度。不過要論“多合一”測量的高手，還得是SEN5x一體化空氣質(zhì)量傳感器。
圖9：SEN5x環(huán)境傳感器節(jié)點
（圖源：Sensirion）
SEN5x環(huán)境傳感器節(jié)點集顆粒物質(zhì)（PM1.0/PM2.5/PM4.0/PM10）、VOC、相對濕度和溫度傳感于?體，構(gòu)成了?個完整的環(huán)境傳感器模組。Sensirion提供的專有算法，可以實現(xiàn)溫度和濕度補償、VOC指數(shù)計算等功能，使得SEN5x可以很方便地集成到暖通空調(diào)和空氣質(zhì)量應(yīng)用中。
SEN5x具有4.5V至5.5V的電壓范圍，5V時的平均電流消耗為63mA；優(yōu)化的鞘流技術(shù)令其具有很高的防塵性，使用壽命長；它還具有一個I2C接口，可與主控MCU進行通信。
圖10：SEN5x框圖
（圖源：Sensirion）
SEN5x系列傳感器包括完整的產(chǎn)品組合，提供不同的配置，用戶可以根據(jù)自己的目標應(yīng)用選擇合適的物料。
圖11：SEN5x系列產(chǎn)品特性比較
（圖源：Sensirion）
本文小結(jié)
當(dāng)我們邁入智能化時代，身邊的傳感器也越來越多越來越多，也越來越智能?？諝赓|(zhì)量傳感器是我們?nèi)粘Ｉ钪懈哳l使用，能夠滿足人們健康“剛需”的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，隨著人們提升室內(nèi)空氣質(zhì)量訴求的強化，相關(guān)傳感器也將迎來一波持續(xù)的增長。
不過，隨著市場的發(fā)展，對于空氣質(zhì)量傳感器的要求也在升級，除了精準的測量，這些傳感器在小型化、集成度、性價比、耐用性、低功耗，以及易用性等諸多方面也都要不斷精進。
在這些方面，Sensirion提供了一系列標桿性的產(chǎn)品，可以幫你快速上手、一探空氣質(zhì)量的究竟。想在室內(nèi)空氣監(jiān)測領(lǐng)域有所作為的小伙伴，快來了解一下吧！
來源：Mouser
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