【導讀】要想打造可持續未來，傳感器在環境監測中的作用至關重要。全球能耗上升、能源密集型制造工藝、家用電器產生的溫室氣體、畜牧生產和焚燒作物秸稈等粗放型耕作方式都是造成氣候危機的原因。所有這些因素都增加了環境中的二氧化碳 (CO2) 含量，影響了人們的生活質量。
要想打造可持續未來，傳感器在環境監測中的作用至關重要。全球能耗上升、能源密集型制造工藝、家用電器產生的溫室氣體、畜牧生產和焚燒作物秸稈等粗放型耕作方式都是造成氣候危機的原因。所有這些因素都增加了環境中的二氧化碳 (CO2) 含量，影響了人們的生活質量。各種傳感器功能各異，對收集環境多個方面的準確和可靠的數據發揮著關鍵作用。傳感器是評估空氣和水質、土壤健康甚至氣候狀況不可或缺的工具。先進的傳感器能夠精確、高效地實時收集這些數據。本文詳細闡述為打造綠色環境，通過估算室內環境、農田和畜牧業中的溫室氣體來監測環境時所需的傳感解決方案。
家用電器中溫室氣體檢測的必要性
溫室氣體可以用全球變暖潛能值 (GWP) 來定義。GWP 衡量溫室氣體對大氣的潛在影響，以相對于參考氣體 CO2 的系數表示。減少住宅環境中的溫室氣體排放對于減緩全球氣候變化至關重要。冰箱、暖通空調、通風和空調系統等室內家用電器是溫室氣體的重要來源。商業制冷行業和暖通空調應該優先努力減少溫室氣體的排放，為可持續發展的環境做出貢獻。
二氧化碳 (CO2) 傳感器基于光聲光譜 (PAS) 原理工作，可以檢測甲烷、丙烷、R-32 和 R454B 氣體等，所有這些氣體都是溫室效應的罪魁禍首。
光聲光譜 (PAS) 原理
在光聲光譜 (PAS) 中，來自紅外光源的脈沖形式的光通過一個調諧到目標測量氣體的吸收波長的光學濾波器。測量室中的氣體分子吸收每一個脈沖的濾波光，使它們振動并產生壓力波。這種現象被稱為“光聲效應”。針對低頻操作進行了優化的聲學檢測器檢測產生的壓力變化，微控制器則將輸出轉換為氣體濃度讀數。吸收室可以隔離外界噪音，以提供精確的氣體傳感數據。
圖 1： 光聲光譜技術（資料來源）
如圖 1 所示，許多行業和應用都使用光聲光譜技術，特別是在檢測制冷劑泄漏方面。其靈敏度高、選擇性強，能夠檢測到目標氣體的微小濃度，有助于區分各種制冷劑。這種特殊性有助于將制冷劑泄漏與環境中其他常見氣體區分開來。此外，PAS 技術還具有實時監測和檢測范圍廣的優點。
英飛凌的 XENSIVTM PAS CO2
英飛凌的XENSIVTM CO2 傳感器精度高、結構緊湊，具有 SMD 功能，因此適用于室內空氣質量監測解決方案、暖通空調家用電器、智能家居物聯網設備、農業/溫室和艙內空氣質量監測裝置。
圖 2： PAS CO2 V019（資料來源）
圖 3： PAS CO2 傳感器方框圖（資料來源）
如圖 3 所示，該傳感器采用針對低頻工作進行優化的 MEMS 擴音器，使其能夠檢測腔內 CO2 分子產生的壓力變化。XENSIVTM 的直接 ppm 讀數、卷帶包裝、SMD 功能和簡單的設計使其能夠快速輕松地集成到客戶的系統中，可用于小批量和大批量應用。
圖 4： 帶有 CO2 傳感器的室內暖通空調監測室內空氣質量的示例（資料來源）
圖 4 顯示了帶有 CO2 傳感器的室內暖通空調設備。您可以通過暖通空調設備調節房間的通風。這種調節是通過微控制器產生 I/O 信號，進而啟動室內風扇降低室內 CO2 含量來實現的。這樣，暖通空調系統可在監測空間內保持適宜的空氣質量。
圖 5： 家庭環境中的CO2監測示意圖，26 英尺 x 21 英尺空間，1 人居住（資料來源）
圖 5 顯示了空調系統關閉的情況下，在通風不良的空間中監測 CO2 的情況。白天在只有一個人居住和露臺門打開的情況下（曲線上的第一個凹點），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，呼吸規律。曲線的后半部分表示居住者離開封閉空間后，曲線從較高的 CO2 水平下降到更健康（綠色）的室內空氣質量。
每分鐘進行一次讀數，圖表會迅速更新，以反映 CO2 濃度的變化。這種監測在居住者較多的小環境中必不可少，可以清楚地表明需要改善氣流。
總揮發性有機化合物 (TVOC) 檢測可以改善室內基礎設施的空氣質量
揮發性有機化合物 (VOC) 是室內空氣質量差的主要原因。這種檢測用來監測學校、公共建筑和家庭等關鍵場所的污染物，如洗滌劑、香水、烹飪原料等。
圖 6： 家中 TVOC 的來源（資料來源）
揮發性有機化合物的來源如圖 6 所示。 根據室內裝飾和使用模式的不同，一個房間內可能同時存在不同的有機化合物。與 VOC 接觸有關的健康風險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檢測其濃度至關重要。
Renasas 的 ZMOD4410 氣體傳感器結構緊湊，易于安裝，生命周期較長，可以監測不同位置的TVOC。
用于評估室內環境中 TVOC 濃度的室內空氣質量 (IAQ) 傳感器
圖 7： ZMOD4410（資料來源）
Renesas 的 ZMOD4410 氣體傳感器模塊通過檢測 TVOC 來監測室內空氣質量 (IAQ)。它利用氣體比 TVOC 更容易檢測的事實來估算 CO2 水平。該傳感器模塊能夠可靠地估算出室內環境中 TVOC 與 CO2 濃度的相關性。該模塊可以在各種條件下有效工作，包括潮濕和多塵的應用環境，如噴霧、冷凝或浸泡等。傳感元件是硅基微熱板，采用堅固且高靈敏度的金屬氧化物 (MOx) 化學電阻器。
基于 MOX 的 TVOC 傳感器測量 TVOC 濃度，并使用該數據估算人為產生的 CO2 濃度 (eCO2) 基數。公式 1 顯示了比例常數。
eCO?=a*b+TVOC -------- 公式 1
其中，b 為人為產生的 CO2 與TVOC的比值，a 為恒定偏移量。
為了提高估算 CO2 濃度的準確性，設定了具體的界限，最小濃度為地球大氣中 CO2 的濃度，約為 400 ppm。室內濃度應該低于這個值。在家庭或室內環境中，最高濃度不太可能超過 5000 ppm。
圖 8： 廚房中 TVOC 測量和相應的 eCO2示例（資料來源）
圖 8 顯示了一小時內在廚房中進行的一系列測量。在數據采集開始時，隨著人們進出廚房， TVOC（縱坐標 y 軸，單位為 mg/m3）和 eCO2（縱坐標 y 軸，單位為 ppm）水平都會因人體呼吸活動或 CO2 的釋放而上升。然而，在烹飪過程中，廚房氣體中只有 TVOC 水平上升，而 eCO2 水平保持不變。
用于可持續農業實踐的傳感器
由于對環境的不利影響，農民面臨著放棄傳統農業技術的壓力，如焚燒作物秸稈和密集耕作。此外，養牛會通過牛的腸道發酵（消化過程）和糞便產生甲烷 (CH4)，進一步加劇了環境問題。專為可持續農業設計的傳感器可提供技術解決方案，提高生產力和成本效益，減少導致全球變暖的農業副產品。例如，這些傳感器可通過密切監測動物個體健康狀況，并相應地調整其營養，以預防疾病和改善群體健康。它們還有助于檢查土壤狀況，以便有針對性地施用農藥和化肥。
圖 9： NTAG 智能傳感器（資料來源）
恩智浦的 NTAG 智能傳感器可以提供有關動物健康狀況、土壤條件和優化生長條件等方面的信息。NHS3152 是 NTAG 智能傳感器系列的一員，其 IC 專門針對治療依從性監測和記錄進行了優化。它具有嵌入式 NFC 接口、內部溫度傳感器，和電池直連功能。這些功能支持有效的系統解決方案，只需最少的外部元件和單層箔片即可監測藥物使用情況。它既可以通過電池供電，也可以采用 NFC 供電。它包含多項功能，包括斷電模式和可選擇的 8 MHz 或更低的 CPU 頻率，以實現超低功耗。
e絡盟與供應商合作，提供各種環境傳感器和相關配件，如氣體檢測傳感器、濕度傳感器、PH值傳感器、空氣質量傳感器、溫度傳感器和 TVOC 傳感器等。
結語
傳感技術在解決環境問題和打造可持續未來方面具有巨大潛力。CO2和TVOC等傳感器通過監測家用電器排放的溫室氣體，有助于保持室內空氣質量。這些傳感器對于創造宜居環境至關重要。同樣，利用傳感器來確定耕作和牲畜管理所需肥料的數量，可以減少農業產生有害的副產品。通過采用和推廣綠色科技，我們可以減少 CO2 排放，改善整體環境質量。
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