利用传感技术监测并解决环境问题，打造可持续未来

作者：e络盟技术团队

 

要想打造可持续未来，传感器在环境监测中的作用至关重要。全球能耗上升、能源密集型制造工艺、家用电器产生的温室气体、畜牧生产和焚烧作物秸秆等粗放型耕作方式都是造成气候危机的原因。所有这些因素都增加了环境中的二氧化碳 (CO2) 含量，影响了人们的生活质量。各种传感器功能各异，对收集环境多个方面的准确和可靠的数据发挥着关键作用。传感器是评估空气和水质、土壤健康甚至气候状况不可或缺的工具。先进的传感器能够精确、高效地实时收集这些数据。本文详细阐述为打造绿色环境，通过估算室内环境、农田和畜牧业中的温室气体来监测环境时所需的传感解决方案。

 

家用电器中温室气体检测的必要性

温室气体可以用全球变暖潜能值 (GWP) 来定义。GWP 衡量温室气体对大气的潜在影响，以相对于参考气体 CO2的系数表示。减少住宅环境中的温室气体排放对于减缓全球气候变化至关重要。冰箱、暖通空调、通风和空调系统等室内家用电器是温室气体的重要来源。商业制冷行业和暖通空调应该优先努力减少温室气体的排放，为可持续发展的环境做出贡献。

 

二氧化碳 (CO2) 传感器基于光声光谱 (PAS) 原理工作，可以检测甲烷、丙烷、R-32 和 R454B 气体（可能还有其他气体），所有这些气体都是温室效应的罪魁祸首。

 

光声光谱 (PAS) 原理

在光声光谱 (PAS) 中，来自红外光源的脉冲形式的光通过一个调谐到目标测量气体的吸收波长的光学滤波器。测量室中的气体分子吸收每一个脉冲的滤波光，使它们振动并产生压力波。这种现象被称为“光声效应”。针对低频操作进行了优化的声学检测器检测产生的压力变化，微控制器则将输出转换为气体浓度读数。吸收室可以隔离外界噪音，以提供精确的气体传感数据。

 

图 1： 光声光谱技术（资料来源）

 

如图 1 所示，许多行业和应用都使用光声光谱技术，特别是在检测制冷剂泄漏方面。其灵敏度高、选择性强，能够检测到目标气体的微小浓度，有助于区分各种制冷剂。这种特殊性有助于将制冷剂泄漏与环境中其他常见气体区分开来。此外，PAS 技术还具有实时监测和检测范围广的优点。

 

英飞凌的 XENSIVTM PAS CO2

英飞凌的XENSIVTM CO2 传感器精度高、结构紧凑，具有 SMD 功能，因此适用于室内空气质量监测解决方案、暖通空调家用电器、智能家居物联网设备、农业/温室和舱内空气质量监测装置。

 

图 2： PAS CO2 V019（资料来源）

 

图 3： PAS CO2 传感器方框图（资料来源）

 

如图 3 所示，该传感器采用针对低频工作进行优化的 MEMS 扩音器，使其能够检测腔内 CO2分子产生的压力变化。XENSIVTM 的直接 ppm 读数、卷带包装、SMD 功能和简单的设计使其能够快速轻松地集成到客户的系统中，可用于小批量和大批量应用。

 

图 4： 带有 CO2 传感器的室内暖通空调监测室内空气质量的示例（资料来源）

 

图 4 显示了带有 CO2 传感器的室内暖通空调设备。您可以通过暖通空调设备调节房间的通风。这种调节是通过微控制器产生 I/O 信号，进而启动室内风扇降低室内 CO2含量来实现的。这样，暖通空调系统可在监测空间内保持适宜的空气质量。

 

图 5： 家庭环境中的CO2监测示意图，26 英尺 x 21 英尺空间，1 人居住（资料来源）

 

图 5 显示了空调系统关闭的情况下，在通风不良的空间中监测 CO2的情况。白天在只有一个人居住和露台门打开的情况下（曲线上的第一个凹点），CO2水平显著下降。居住者始终与传感器保持大约 1 到 2 英尺的距离，用笔记本电脑工作，呼吸规律。曲线的后半部分表示居住者离开封闭空间后，曲线从较高的 CO2水平下降到更健康（绿色）的室内空气质量。

 

每分钟进行一次读数，图表会迅速更新，以反映 CO2浓度的变化。这种监测在居住者较多的小环境中必不可少，可以清楚地表明需要改善气流。

 

总挥发性有机化合物 (TVOC) 检测可以改善室内基础设施的空气质量

挥发性有机化合物 (VOC) 是室内空气质量差的主要原因。这种检测用来监测学校、公共建筑和家庭等关键场所的污染物，如洗涤剂、香水、烹饪原料等。

 

图 6： 家中 TVOC 的来源（资料来源）

 

挥发性有机化合物的来源如图 6 所示。 根据室内装饰和使用模式的不同，一个房间内可能同时存在不同的有机化合物。与 VOC 接触有关的健康风险取决于这些化合物的浓度水平。因此，使用可靠和灵敏的仪器来检测其浓度至关重要。

 

Renasas 的 ZMOD4410 气体传感器结构紧凑，易于安装，生命周期较长，可以监测不同位置的TVOC。

 

用于评估室内环境中 TVOC 浓度的室内空气质量 (IAQ) 传感器

 

图 7： ZMOD4410（资料来源）

 

Renesas 的 ZMOD4410 气体传感器模块通过检测 TVOC 来监测室内空气质量 (IAQ)。它利用气体比 TVOC 更容易检测的事实来估算 CO2 水平。该传感器模块能够可靠地估算出室内环境中 TVOC 与 CO2 浓度的相关性。该模块可以在各种条件下有效工作，包括潮湿和多尘的应用环境，如喷雾、冷凝或浸泡等。传感元件是硅基微热板，采用坚固且高灵敏度的金属氧化物 (MOx) 化学电阻器。

 

基于 MOX 的 TVOC 传感器测量 TVOC 浓度，并使用该数据估算人为产生的 CO2浓度 (eCO2) 基数。公式 1 显示了比例常数。

 

eCO₂=a*b+TVOC -------- 公式 1

其中，b 为人为产生的 CO2 与TVOC的比值，a 为恒定偏移量。

 

为了提高估算 CO2 浓度的准确性，设定了具体的界限，最小浓度为地球大气中 CO2 的浓度，约为 400 ppm。室内浓度应该低于这个值。在家庭或室内环境中，最高浓度不太可能超过 5000 ppm。

 

图 8： 厨房中 TVOC 测量和相应的 eCO2示例（资料来源）

 

图 8 显示了一小时内在厨房中进行的一系列测量。在数据采集开始时，随着人们进出厨房， TVOC（纵坐标 y 轴，单位为 mg/m3）和 eCO2（纵坐标 y 轴，单位为 ppm）水平都会因人体呼吸活动或 CO2的释放而上升。然而，在烹饪过程中，厨房气体中只有 TVOC 水平上升，而 eCO2水平保持不变。

 

用于可持续农业实践的传感器

由于对环境的不利影响，农民面临着放弃传统农业技术的压力，如焚烧作物秸秆和密集耕作。此外，养牛会通过牛的肠道发酵（消化过程）和粪便产生甲烷 (CH4)，进一步加剧了环境问题。专为可持续农业设计的传感器可提供技术解决方案，提高生产力和成本效益，减少具有全球变暖潜能值的农业副产品。例如，这些传感器可通过密切监测动物个体健康状况，并相应地调整其营养，以预防疾病和改善群体健康。它们还有助于检查土壤状况，以便有针对性地施用农药和化肥。

 

图 9： NTAG 智能传感器（资料来源）

 

恩智浦的 NTAG 智能传感器可以提供有关动物健康状况、土壤条件和优化生长条件等方面的信息。NHS3152 是 NTAG 智能传感器系列的一员，其 IC 专门针对治疗依从性监测和记录进行了优化。它具有嵌入式 NFC 接口、内部温度传感器，和直接电池连接。这些功能支持有效的系统解决方案，只需最少的外部元件和单层箔片即可监测药物使用情况。它既可以通过电池供电，也可以采用 NFC 供电。它包含多项功能，包括断电模式和可选择的 8 MHz 或更低的 CPU 频率，以实现超低功耗。

 

e络盟与供应商合作，提供各种环境传感器和相关配件，如气体检测传感器、湿度传感器、PH值传感器、空气质量传感器、温度传感器和 TVOC 传感器等。

 

结语

传感技术在解决环境问题和打造可持续未来方面具有巨大潜力。CO2和TVOC等传感器通过监测家用电器排放的温室气体，有助于保持室内空气质量。这些传感器对于创造宜居环境至关重要。同样，利用传感器来确定耕作和牲畜管理所需肥料的数量，可以减少农业产生有害的副产品。通过采用和推广绿色科技，我们可以减少 CO2 排放，改善整体环境质量。