世界衛生組織 (WHO) 等組織認為顆粒物、臭氧和氧化氮 (NOx) 等污染物與疾病和不斷攀升的早期死亡率之間存在聯系，空氣質量因而成為其最受關注的課題之一。空氣污染是 WHO 在其全球疾病負擔評估中包含的 10 大環境因素之一，這項評估提供了一個平臺用于監測全球不同地區的公共衛生狀況并幫助確定合適的應對措施。借助此項目，WHO 已經能夠評估可通過改善環境加以預防的全球疾病比例，并且發布了 192 個成員國的國家概況。

城市地區面臨空氣質量問題的可能性最大。WHO 認為，如果能夠降低各種健康風險，包括環境風險及營養和潔凈用水等其他因素，世界貧困地區的人均預期壽命有望延長 10 年之多。即使在西歐等更發達的地區，WHO 認為也能實現進一步延長 5 年的人均預期壽命。因此，全球許多團體和社團都在堅持不懈地開展研究和投入工作，借此緩解全球的疾病負擔。

在歐洲、北美和部分亞洲地區，已經出臺了一些非常完善的空氣質量監測和改善計劃。例如，歐盟針對空氣質量問題采取的行動中包括一項“歐洲清潔空氣計劃”，2013 年頒布的新政策對此給予了有力的支持，其中包含了各種旨在減少汽車和其他燃燒過程排放物的舉措。歐洲環境署 (EEA) 維護了一個被稱為 Airbase 的空氣質量數據庫，供公眾獲取根據歐盟內監測點所獲取的數據得出的結果。而在世界其他地區，空氣質量數據的監測力度相對較弱。世界上很多地方還有改善空間，而且人們對于采集數據進行分析的興趣也日益濃厚。

更普遍的空氣質量監測

不論從較低還是較高的基數，成本都是阻礙擴大空氣質量監測規模的重要因素之一。一個合乎法規要求的高質量空氣質量監測站的成本可能高達數萬美元。它們往往設計為長期使用（十年甚至更久），并且可能體積龐大，在需要時很難移到其他位置。如果在空氣質量監測項目中僅僅安裝少量監測站，那么收集到的數據量將很有限。必須進行非常廣泛的建模和外推才有可能得出更大區域的結論。

另一方面，對于價格不超過幾千美元（有時還要低得多）的監測站而言，也有適合其的更為小巧便攜的傳感器，但準確性和精度將會有所下降。它們的運行成本可能較低，因為一些設備只需要更換電池即可，而且工作壽命往往比合乎法規要求的較大型監測站更短。

更低成本的傳感器的出現，加上物聯網 (IoT) 的興起，可以給空氣質量的監測方法帶來轉變。可以在較大型基準 AQMS 設備之間的位置插入額外的檢測站，從而提高數據的可靠性，以及建模和外推的準確性。這些可以是小型、半永久性或便攜式監測站，這類監測站易于搭建，并且可以非常快速地做好準備，開始收集空氣質量數據。

但我們知道，大型傳感器網絡會生成海量數據，給傳統的收集和分析方法帶來挑戰。這種情況下，IoT 技術可通過簡化從現場監測站捕獲數據的過程，降低操作成本，以及利用云計算資源來處理、分析和報告生成的信息，提供有效的解決方案。

另外值得一提的是，較小規模的政府當局和 NGO（非政府組織）可利用低成本的檢測站和較小規模的云平臺來建立較小規模或局部化的監測方案。例如，靠近工廠、學校或交通熱點地區，用于執法或游說用途的監測站。

削減傳感器和電路成本

新的制造技術可以降低傳感器的成本，同樣有助于擴大空氣質量監測站的部署。 SPEC Sensors 開發了一種絲網印刷電化工藝，可批量制造適用于小型封裝的高性能、低功耗的傳感器，且成本遠低于傳統的機電傳感器。其中幾種演化產品可用于測量臭氧、甲烷、氧化氮、一氧化碳、硫化氫、正庚烷和氯氣等污染物。它們分別具有緊湊的 20 mm x 20 mm 方形外形，高度僅為 3 mm，帶有中央進氣孔，并且可在健康或住宅空氣質量監測中使用，也可以用于工業監測。它們出廠前經過校準，具有 10 年的預期使用壽命。

關于機電式傳感器的使用，值得提出的重要一點是，除了要確保檢測面可抵御灰塵和油污等污染物的污染之外，還應謹慎地選擇外殼材料。使用某些塑料（例如 ABS）可能會由于吸收氣體分子而降低傳感器的響應。如有可能，建議盡量使用不銹鋼或聚丙烯等材料，并將 EPDM（乙烯丙烯二烯單體 [M 類] 橡膠）等惰性材料用于任何密封件或隔板。

機電式傳感器是包含工作（檢測）電極、對電極和基準電極的三維器件。工作電極包含配制的與被檢測氣體發生反應的催化劑材料，因此可產生與氣體濃度成正比的電流。恒電位儀電路用于控制工作電極的電勢，并將生成的電流轉換為可測量的電壓。圖 1 顯示了 SPEC Sensors 所建議的示例電路。

圖 1： 用于測量電化氣體傳感器響應的恒電位儀電路。

TI 創建了一套氣體傳感器參考設計和評估套件，使用 LMP91000 模擬前端 (AFE) IC 與機電傳感器接口。此器件包含集成的跨阻放大器 (TIA)，利用該器件可簡化電路設計，并允許對偏置電壓和 TIA 基準電壓等重要參數進行編程，而無需使用外部電阻器。此外還包含了一種實用附件 — 溫度傳感器，因為環境溫度可能會影響工作電極的響應。圖 2 說明了此集成解決方案如何化解設計傳感器 AFE 所面臨的挑戰。

圖 2： LMP91000 簡化了機電傳感器與電子監測電路的接口。

使用 TI 參考設計的另一項優勢是，該套件采用了低功耗藍牙? 技術，可運用 CC2541 2.4 GHz 無線電 IC。此外還提供了一款移動應用程序，以便用戶能夠立即開始收集傳感器數據，并在平板電腦或智能手機上分析結果。該應用程序會對通過 LMP91000 AFE 收集的原始數據執行必要的后處理，并通過 CC2541 進行數字化和傳輸。

總結

IoT 提供了難得的機遇，以高成本效益的方式大幅擴充空氣質量監測，具體取決于價格實惠且易于部署的新一代檢測站的供應情況。利用最新的傳感器和 IC 技術，可以開發出低成本的小型傳感器模塊，用于檢測全球健康和環境監測計劃都高度關注的臭氧、甲烷和 NOx 等污染物。這些模塊通過實現更普遍的監測來收集可靠的空氣質量數據，可以在幫助預防與較差的戶外空氣質量相關的疾病以及延長世界各地的人均預期壽命方面發揮重要作用。