人們經常聽聞室外空氣污染的問題，然而，美國環境保護署（EPA）表示，美國人有長達 90% 的時間是處於室內，大大超過了室外。因此，如果住宅、辦公室、商店、健身房和餐廳內的空氣不清新、不乾淨，就可能引發重大的健康風險。根據世界衛生組織（WHO）資料，在極端情況下，室內空氣污染每年導致320多萬人過早死亡。
美國國家環境健康服務研究所（U.S. National Institute of Environmental Health Services）列出了室內污染源，包括建築物內的人類活動，如吸煙、燃燒固體燃料、烹飪和清潔；還有來自建築和施工材料、設備和傢俱的水汽；以及生物污染物，如黴菌、病毒或過敏源。
其中許多污染物必定要通過特定的技術才能檢測到。例如，燃氣加熱器產生的一氧化碳是無味的。如果排放得當，這種廢氣是安全的。當突然發生嚴重洩漏，傳統的一氧化碳報警器會在一氧化碳濃度達到危險程度時發出警報。可是，如果出現低於傳統報警器閾值的持續低濃度洩漏，情況就會迅速惡化。雖然這種程度的一氧化碳洩漏不太可能致命，但長期接觸一氧化碳會導致肌肉骨骼損傷、疲勞和記憶力減退等嚴重癥狀。
幸運的是，物聯網（IoT）提供了解決方案。物聯網網路能夠更細緻、更及時地應對潛在的危險，尤其是對於長期、低程度地暴露於污染的情況。無線技術的最新進展為室內空氣品質測量和監測提供了多種可擴展的解決方案。這些技術的進步使我們可以靈活安置各種感測器，獨立於本地IT 網路以外；然後結合感測器資料和智慧分析，便能夠更好地瞭解影響室內空氣品質的因素。
改善室內環境條件
低功耗藍牙等基礎物聯網技術，適用於在建築物內對空氣進行採樣的小型電池供電感測器；而低功耗Wi-Fi技術則理想用於可充分利用現有Wi-Fi 接入點之空氣品質感測器。這兩種技術都能將資料傳輸到資源充足的 Wi-Fi 閘道，而 Wi-Fi 閘道又將資料轉發到雲端以供遠端存取。另外，建築物範圍內的低功耗藍牙網路可將資料傳輸到蜂巢式物聯網閘道，無需使用Wi-Fi即可將資料轉發到雲端。
由於無線解決方案不需要佈線，因此很容易整合到新蓋的建築中，或改造加入到現有建築中。由於這些感測器不使用實體電線，可以輕鬆巧妙地安放在需要的位置；例如，可以在礦物燃料加熱器附近或空氣流通不暢的房間安裝一氧化碳感測器。
與傳統感測器相比，新一代感測器的主要優勢是可以提供連續的資料流，從而識別特定建築或場所的長期空氣品質趨勢，以實現精確的控制。例如，根據大量的歷史資料，可以在預測花粉數量較多的夏季自動觸發額外的空氣淨化，或者在寒冷並且潮濕時增加通風和加熱操作，以阻止黴菌生長。
通過邊緣運算功能，當今的物聯網設備能夠過濾這些連續的資料流，只有在需要採取行動改變濕度、溫度、通風或淨化時，才將資訊發送到智慧手機、閘道或直接發送到雲端。這樣可以降低能耗，而且，如果設備使用受管制的無線電頻譜，還可以減少資料費用。
物聯網可與智慧空氣淨化、過濾系統和智慧供暖、通風和空調（HVAC）整合，從而實現靈活性和精確性。例如，如果濕度開始上升，導致黴菌滋生，暖通空調系統就可以加強除濕功能。或者，當感測器在空氣中檢測到二氧化碳、揮發性有機化合物（VOC）（這是空氣中對人體健康威脅最大的物質之一）或其他污染物時，整合系統可以自動加強過濾操作。
VOC廣泛應用於油漆、塗料以及清潔、消毒和除油污產品中，根據美國環境保護署（EPA）資料，室內的VOC濃度可能比室外高出10倍，並可能導致嚴重的健康問題，包括頭痛、噁心以及對肝臟、腎臟和中樞神經系統的潛在損害。
促進教育部門提升空氣清潔度
商用無線空氣品質監測解決方案正在進入市場，並取得不錯的成績。例如，紐西蘭的研究表明學生學習效果與室內環境品質相關，促使紐西蘭教育部發起了Te Haratau 計畫。
AirSuite 的室內監測器Glance可用於檢測和記錄一系列環境變數，這些變數可能影響商業、工業和家庭環境中人們的健康和工作效率。AirSuite Glance 採用一系列感測器來監測二氧化碳、VOC、溫度和濕度，以及聲音、光照度和氣壓。
| 圖一 : AirSuite Glance採用一系列感測器來監測二氧化碳、VOC、溫度和濕度。 |
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AirSuite使用Nordic Semiconductor的nRF52840系統單晶片（SoC）提供的低功耗藍牙連接，每分鐘將資料直接傳輸到使用者的智慧手機，而Nordic nRF9160系統級封裝（SiP）則提供LTE-M 或 NB-IoT（蜂巢式物聯網）連接，至少每 15 分鐘將相關資料發送到雲端。通過專用app和網路平臺，當環境指標超過或低於預定閾值時，用戶可以進行監督和接收通知。
監測智慧建築的空氣品質
另外，法國物聯網感測器專業公司Adeunis開發專為智慧建築設計的室內環境和空氣品質解決方案。COMFORT和COMFORT Serenity設備採用溫度、濕度、二氧化碳和VOC感測器，可向雲端提供近乎即時的資料。Nordic的nRF9160 SiP為它們提供完善的蜂巢式物聯網連接，同時支援NB-IoT和LTE-M網路。
| 圖二 : COMFORT Serenity採用 Nordic的nRF9160 SiP，同時支援NB-IoT和LTE-M無線網路。 |
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Adeunis 射頻硬體開發人員Catalina Raba Mora 解釋道：「高濃度二氧化碳或VOC都會對健康產生不利影響，因而需要進行監測並維持安全水準，而通過使用我們的感測器產品，大樓監管人員能夠立即獲取可能暴露於高濃度二氧化碳或VOC的重要資料。此外，我們的設備還能通過精確的溫度和濕度測量，確保建築物內的住戶獲得舒適的環境。」
Nordic的nRF9160 SiP具有64 MHz Arm Cortex-M33專用應用處理器，提供充足的處理能力，能夠管理整合在COMFORT和COMFORT Serenity設備中的感測器套件。
| 圖三 : nRF9160 SiP可讓空氣品質感測器通過蜂巢網路將資料發送到雲端。 |
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兩款Adeunis設備都採用帶有NFC介面的直觀Android應用程式，可簡化網路和應用配置。使用nRF9160 SiP將設備資料傳輸到雲端後，用戶就可以查看和管理這些資訊。雲伺服器可以提供有關感測器運行狀態、電池壽命、網路品質和資料接收情況的全面資訊。使用者可以委託他人管理設備，遠端配置設備，並根據收集到的資料採取必要的措施。
除了檢測二氧化碳和VOC，無線空氣品質監測還可用於識別室內環境中的其他潛在危險屬性。例如，印度的產品工程服務機構Technosphere代表 P Alert Industries 開發了預防性解決方案，可讓物業管理人員和房主檢測建築物內是否存在甲基苯丙胺。
如果在物業內檢測到吸入或製造甲基苯丙胺的情況，P Alert Meth Alarm甲基苯丙胺警報器會立即向用戶的智慧手機發出警報。利用Nordic nRF9160 SiP 提供的蜂巢式物聯網連接，可將警報和即時甲基苯丙胺含量報告轉發到相關的安全雲端平臺。這款解決方案提供持續監控，使用者可以設置檢測頻率。
新一代無線技術最佳化健康狀況
根據 Markets and Markets報告，全球空氣品質監測系統市場預計到2028年將達到69 億美元，下一步是推出全新一代無線 SoC。Nordic多協定SoC產品nRF54H20和 nRF54L15就是主要的示例。這些 SoC 降低了功耗，提高了安全性（專為PSA Level 3設計），並通過高整合度降低了總體材料成本（BoM）。
nRF54L15可以支援包括藍牙 5.4、藍牙 NLC/Mesh 1.1、Matter、KNX IoT 等多種協定，是低功耗、成本最佳化型終端設備的理想選擇。nRF54H20則適用於需要更強處理能力且不影響功耗的高階設備或單晶片閘道應用（例如與用於 Wi-Fi 的 nRF7002協同IC 相結合）。
| 圖四 : nRF54H20適用於需要更強處理能力且不影響功耗的高等空氣品質感測器。 |
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這兩款SoC 都有充足的資源來支援機器學習（ML）。此類 SoC 可以使用長期收集的空氣品質資料來訓練ML模型。然後將這些模型應用於感測器，進而有助於智慧化調整大樓系統和暖通空調系統，使得居住者獲得最佳的健康條件和舒適度。
例如，大樓系統可以根據特定事件自動調整設置，如在一天中的特定時間，根據預期的大樓佔用率增加情況開啟空氣淨化器或除濕器，然後在人們離開大樓時關閉設備。這樣的設備最佳化可以在不必使用時關機，從而降低能耗，同時為居住者精心營造舒適的室內環境。
通過將機器學習進一步整合到無線空氣品質監測中，有望提供更強大的預測性洞察力，協助做出明智的決策，為人們改善健康。最終，物聯網解決方案將為人們生活的所有室內場所帶來清新的空氣。
（本文作者Lorenzo Amicucci為Nordic Semiconductor業務發展經理）
