監(jiān)測空氣質(zhì)量和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的可持續(xù)網(wǎng)絡(luò)，確保工業(yè)和住宅區(qū)的實(shí)時(shí)警報(bào)和安全。

SafeAir是一種先進(jìn)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，旨在提供實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量更新和火災(zāi)安全警報(bào)。該系統(tǒng)利用強(qiáng)大的DECT NR網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行本地通信，利用LTE進(jìn)行遠(yuǎn)程警報(bào)，確保對工業(yè)和居民區(qū)進(jìn)行全面監(jiān)控。SafeAir采用太陽能電池板提供可持續(xù)動(dòng)力，并將地理空間跟蹤與GNSS相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效、可擴(kuò)展和環(huán)保的操作。該系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)可以輕松集成未來的智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施和人工智能驅(qū)動(dòng)的分析。

為什么我們需要安全空氣?

日益增長的環(huán)境問題

空氣質(zhì)量是公共健康和環(huán)境保護(hù)的重要組成部分。隨著城市化和工業(yè)化達(dá)到歷史最高水平，我們呼吸的空氣質(zhì)量正在迅速惡化。世界衛(wèi)生組織(世衛(wèi)組織)估計(jì)，世界上約91%的人口生活在空氣污染水平超過可接受限度的地區(qū)。長期暴露于空氣污染物中，如顆粒物(PM2.5和PM10)、二氧化氮(NO?)、二氧化硫(SO?)和揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問題，包括呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病，甚至過早死亡。

火災(zāi)事故及其后果

另一方面，火災(zāi)危險(xiǎn)仍然是對生命和財(cái)產(chǎn)的持續(xù)威脅。住宅火災(zāi)、工業(yè)事故和野火每年造成巨大的損失。根據(jù)美國國家消防協(xié)會(huì)(NFPA)的數(shù)據(jù)，全球每年有數(shù)千人死于火災(zāi)，財(cái)產(chǎn)損失達(dá)數(shù)十億美元。許多火災(zāi)事件的發(fā)生是由于檢測延遲或缺乏強(qiáng)大的早期預(yù)警系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)需要可靠的監(jiān)測解決方案。

需要高級監(jiān)控解決方案

有效的監(jiān)測系統(tǒng)對于應(yīng)對這些挑戰(zhàn)是必不可少的。實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)決策，而早期發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患可以挽救生命并最大限度地減少損失。傳統(tǒng)系統(tǒng)通常缺乏可伸縮性、準(zhǔn)確性和集成度，因此需要針對不同環(huán)境定制創(chuàng)新的、可伸縮的和技術(shù)驅(qū)動(dòng)的解決方案。

總之，隨著城市化、工業(yè)擴(kuò)張和氣候變化加劇風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)空氣質(zhì)量和消防安全監(jiān)測的重要性再怎么強(qiáng)調(diào)也不為過。提供準(zhǔn)確實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的綜合系統(tǒng)對于保障公眾健康、保護(hù)財(cái)產(chǎn)和確?？沙掷m(xù)的未來至關(guān)重要。

想法

系統(tǒng)框圖

隨著空氣質(zhì)量惡化帶來的風(fēng)險(xiǎn)越來越大，工業(yè)、住宅和商業(yè)領(lǐng)域與火災(zāi)有關(guān)的危險(xiǎn)越來越多，迫切需要一個(gè)可靠、有效的監(jiān)測系統(tǒng)，可以提供早期預(yù)警和可操作的見解。當(dāng)前的系統(tǒng)通常依賴于孤立的、本地化的解決方案，這些解決方案缺乏可伸縮性、整體數(shù)據(jù)聚合和跨大范圍的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

這個(gè)項(xiàng)目背后的想法是創(chuàng)建一個(gè)由互聯(lián)傳感節(jié)點(diǎn)組成的分布式網(wǎng)絡(luò)，能夠監(jiān)測大型工業(yè)和城市景觀中的空氣質(zhì)量參數(shù)(如污染物、揮發(fā)性有機(jī)化合物、氣體)，并檢測潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)(如煙霧、火焰)。這些節(jié)點(diǎn)將通過DECT NR+網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，確保無縫連接和高效數(shù)據(jù)傳輸。使用太陽能等可再生能源確保了一個(gè)自我維持的系統(tǒng)，最大限度地降低了運(yùn)營成本和對環(huán)境的影響。

該網(wǎng)絡(luò)將收集和分析傳感器數(shù)據(jù)，為火災(zāi)危險(xiǎn)和空氣質(zhì)量差提供早期預(yù)警，同時(shí)為精確的事件定位提供地理標(biāo)記數(shù)據(jù)。這使當(dāng)局、行業(yè)和居民能夠積極應(yīng)對，從而減少生命損失、財(cái)產(chǎn)損失和健康風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)還旨在支持環(huán)境研究和決策的長期數(shù)據(jù)收集，確保它既具有即時(shí)效用，又具有長期價(jià)值。

SafeAir項(xiàng)目旨在融合尖端技術(shù)、可持續(xù)設(shè)計(jì)和可擴(kuò)展實(shí)施，以解決關(guān)鍵的環(huán)境和安全問題，應(yīng)用范圍從智能城市到工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)等。

硬件規(guī)格和設(shè)計(jì)敘述

該項(xiàng)目的電力系統(tǒng)旨在確保自我可持續(xù)性和可靠性，采用nPM1300 PMIC進(jìn)行高效電源管理，5V 6W太陽能電池板作為主要能源，10500 mah電池在低太陽能輸出時(shí)提供不間斷備份。該系統(tǒng)還包括一個(gè)USB Type-C充電選項(xiàng)，為初始部署或長時(shí)間陰天提供了靈活性。太陽能電池板產(chǎn)生足夠的電力來運(yùn)行系統(tǒng)，同時(shí)為電池充電，確保連續(xù)運(yùn)行。此外，nPM1300還可以監(jiān)測電池電量、充電狀態(tài)和太陽能電池板的健康狀況，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)交具M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)維護(hù)和優(yōu)化性能。這種設(shè)計(jì)不僅減少了對外部電源的依賴，而且使系統(tǒng)環(huán)保，經(jīng)濟(jì)高效，并且在偏遠(yuǎn)地區(qū)長期部署可靠。

SafeAir項(xiàng)目集成了一系列氣體和環(huán)境傳感器，用于監(jiān)測火災(zāi)危險(xiǎn)、有毒氣體和空氣質(zhì)量，確保實(shí)時(shí)檢測和響應(yīng)，以增強(qiáng)安全和環(huán)境健康。

DFRobot Gravity：模擬氣體傳感器(MQ2) -檢測液化石油氣、甲烷和氫氣等可燃?xì)怏w，以識(shí)別潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)或氣體泄漏，幫助早期預(yù)警系統(tǒng)。

5通道火焰?zhèn)鞲衅髂K-通過多通道監(jiān)測火焰存在或強(qiáng)度，以提高準(zhǔn)確性，對于工業(yè)或住宅區(qū)的火災(zāi)危險(xiǎn)檢測至關(guān)重要。

?DFRobot Gravity: PM2.5空氣質(zhì)量傳感器-測量空氣中的顆粒物，幫助監(jiān)測影響空氣質(zhì)量和健康的細(xì)微污染物。

?DFRobot Gravity：模擬一氧化碳傳感器(MQ7) -檢測一氧化碳水平，使系統(tǒng)能夠識(shí)別工業(yè)或住宅空間中的有毒氣體濃度。

?DFRobot Fermion: MEMS二氧化氮NO?傳感器-跟蹤NO?濃度，以評估空氣污染水平并識(shí)別有害排放。

?DFRobot Gravity：電化學(xué)二氧化硫傳感器-監(jiān)測二氧化硫水平，通常與工業(yè)排放相關(guān)，以確保符合環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

?DFRobot Fermion: MEMS VOC傳感器-檢測揮發(fā)性有機(jī)化合物，提供有害化學(xué)物質(zhì)存在和整體室內(nèi)空氣質(zhì)量的見解。

?DFRobot Gravity：電化學(xué)臭氧O?傳感器——測量臭氧水平，以識(shí)別空氣質(zhì)量問題，并在超過安全閾值的地區(qū)發(fā)出警報(bào)。

DFRobot Gravity: I2C SCD41 CO?傳感器-跟蹤二氧化碳水平，有助于監(jiān)測通風(fēng)效果和空氣質(zhì)量。在配備了SafeAir系統(tǒng)的區(qū)域，如果發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)，例如工業(yè)裝置中的突然火花導(dǎo)致火焰，5通道火焰?zhèn)鞲衅鲗⒘⒓礄z測到火焰的存在，而MQ2傳感器將收集附近升高的可燃?xì)怏w，如甲烷或液化石油氣。同時(shí)，系統(tǒng)的一氧化碳傳感器(MQ7)可能會(huì)檢測到不完全燃燒引起的一氧化碳峰值，而集成到環(huán)境模塊中的溫度傳感器可能會(huì)記錄到一氧化碳的快速增加。當(dāng)這些傳感器觸發(fā)警報(bào)時(shí)，數(shù)據(jù)被處理并通過LTE發(fā)送到基站，包括來自GNSS模塊的位置詳細(xì)信息。這種實(shí)時(shí)警報(bào)使應(yīng)急響應(yīng)人員能夠迅速采取行動(dòng)，有可能避免災(zāi)難，而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的局部警報(bào)可以通知附近的人員撤離或立即采取預(yù)防措施。

對于空氣質(zhì)量監(jiān)測，考慮部署SafeAir系統(tǒng)的住宅區(qū)。PM2.5、CO?、NO?、VOC、SO?、O?等傳感器模塊通過模擬、I2C或UART接口連續(xù)測量污染物水平，并提供原始數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)由nRF9151單片機(jī)實(shí)時(shí)處理，根據(jù)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，考慮污染物濃度和環(huán)境因素，計(jì)算出空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)。如果計(jì)算出的AQI超過安全閾值，系統(tǒng)將通過LTE連接向基站發(fā)送詳細(xì)報(bào)告，包括污染物水平、AQI值和位置坐標(biāo)(通過GNSS模塊)。或者，在本地部署中，利用DECT NR+ mesh功能通知附近的設(shè)備或節(jié)點(diǎn)空氣質(zhì)量差。

這可以及時(shí)通知居民或當(dāng)局，警告他們采取必要的預(yù)防措施，如限制戶外暴露。硬件設(shè)計(jì)確保了即使在偏遠(yuǎn)地區(qū)也能可靠地傳輸數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)健壯有效地用于環(huán)境健康監(jiān)測。PCB的硬件設(shè)計(jì)包括一個(gè)獨(dú)特的功能：一個(gè)RGB LED系統(tǒng)集成了一個(gè)透明的底部外殼和動(dòng)態(tài)顏色邊界。RGB led照亮了外殼的邊緣，反映了周圍地區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)水平。使用PCBWay先進(jìn)的彩色印刷設(shè)備將醒目的短語“您正在呼吸空氣這種顏色”印刷在PCB上，在邊界顏色和環(huán)境中的空氣質(zhì)量之間提供了直接直觀的視覺聯(lián)系。這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了用戶的交互和意識(shí)，同時(shí)保持了板的功能和美學(xué)吸引力。

本文編譯自hackster.io