Dzięki precyzyjnemu monitorowaniu jakości powietrza, bezprzewodowe systemy IoT pomagają w zapewnianiu jego świeżości i czystości. O zanieczyszczeniach atmosfery, w której żyjemy, mówi się dużo i jest to całkowicie zrozumiałe. Według amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (EPA) ludzie spędzają jednak znacznie więcej czasu w pomieszczeniach, czyli w domach, biurach, siłowniach czy restauracjach. Szacunkowo może to być nawet 90% całej doby. Nie można więc ignorować zanieczyszczenia powietrza wewnątrz pomieszczeń, ponieważ według Światowej Organizacji Zdrowia^[1], powoduje ono ponad 3,2 mln przedwczesnych zgonów rocznie.

Jako źródła „złego” powietrza w budynkach U.S. National Institute of Environmental Health Services wymienia: palenie tytoniu, spalanie paliw stałych, gotowanie i sprzątanie, opary materiałów budowlanych i konstrukcyjnych, sprzętu i mebli, a także zanieczyszczenia biologiczne, takie jak pleśń, wirusy lub alergeny.

AirSuite Glance wykorzystuje szereg czujników do monitorowania dwutlenku węgla, lotnych związków organicznych, temperatury i wilgotności

Wiele z tych zanieczyszczeń jest niemożliwych do wykrycia bez użycia technologii. Na przykład tlenek węgla wytwarzany przez grzejniki gazowe jest bezwonny. Prawidłowo odprowadzane spaliny nie stanowią zagrożenia, a w przypadku poważnych wycieków, np. tlenku węgla, konwencjonalne urządzenia alarmujące ostrzegają, gdy jego poziom staje się niebezpieczny. Sprawy mogą jednak szybko przybrać zły obrót w przypadku utrzymującego się niskiego poziomu wycieku poniżej progu konwencjonalnych alarmów. Chociaż jest mało prawdopodobne, aby takie poziomy były śmiertelne, skutki długotrwałego narażenia na tlenek węgla zostały powiązane z poważnymi objawami, takimi jak urazy układu mięśniowo-szkieletowego, zmęczenie i utrata pamięci.

Na szczęście Internet Rzeczy (IoT) oferuje odpowiednie rozwiązanie. Bardziej wysublimowaną i szybką reakcję na potencjalne zagrożenia, zwłaszcza w przypadkach długotrwałego narażenia na zanieczyszczenia o niskim poziomie. Ostatnie postępy w technologii bezprzewodowej pomogły stworzyć różnorodne skalowalne rozwiązania do pomiaru i monitorowania jakości powietrza w pomieszczeniach. Możliwe jest elastyczne rozmieszczanie szerokiej gamy czujników, niezależnie od lokalnych sieci IT. W połączeniu z inteligentną analizą, tak pozyskane dane pozwalają nam lepiej zrozumieć czynniki wpływające na jakość powietrza w przestrzeniach zamkniętych.

Poprawa warunków środowiskowych w pomieszczeniach

Podstawowe technologie IoT, takie jak Bluetooth LE, nadają się do kompaktowych, zasilanych bateryjnie czujników mierzących jakość powietrza w całym budynku, podczas gdy technologia Wi-Fi o niskim poborze mocy jest dobrym rozwiązaniem dla czujników jakości powietrza, które mogą wykorzystać istniejące punkty dostępu Wi-Fi. Obie technologie mogą przesyłać dane do odpowiednio wyposażonych bramek Wi-Fi, które z kolei mogą przekazywać je do chmury w celu uzyskania zdalnego dostępu. Alternatywnie, sieci Bluetooth LE, obejmujące cały budynek, mogą przesyłać dane do komórkowych bram IoT, zdolnych do dalszego przekazania ich do chmury, niezależnie od Wi-Fi.

Ponieważ rozwiązania bezprzewodowe nie wymagają okablowania, można je łatwo zintegrować z nowymi budynkami lub zmodernizować w istniejących budynkach. Brak fizycznych przewodów ułatwia strategiczną lokalizację czujników. Na przykład czujniki tlenku węgla mogą być instalowane w pobliżu grzejników na paliwa kopalne lub w pomieszczeniach o słabym przepływie powietrza.

P Alert Meth Alarm umożliwia zarządcom nieruchomości i właścicielom wykrywanie obecności metamfetaminy wewnątrz budynków

Kluczową zaletą nowej generacji czujników, w porównaniu z tradycyjnymi typami, jest zapewnienie ciągłego przepływu danych. Umożliwia to identyfikację długoterminowych trendów jakości powietrza dla danego budynku lub lokalu. Na przykład, w okresach letnich, kiedy przewiduje się, że liczba pyłków będzie wyższa, może być automatycznie uruchomione dodatkowe czyszczenie. Taka decyzja jest podejmowana w oparciu o zebrane dane historyczne. Podobnie jest, gdy zostanie zarejestrowany spadek temperatury i zwiększona wilgotność. W takiej sytuacji włączana jest zwiększona wentylacja i ogrzewanie, zabezpieczając rozwojowi pleśni.

Możliwości przetwarzania brzegowego umożliwiają dzisiejszym urządzeniom IoT filtrowanie tego ciągłego strumienia danych i przekazywanie informacji do smartfona, bramy lub bezpośrednio do chmury tylko wtedy, gdy konieczne jest podjęcie działań w celu zmiany wilgotności, temperatury, wentylacji lub oczyszczania. Zmniejsza to zużycie energii, a jeśli urządzenie korzysta z regulowanego widma radiowego, maleją również opłaty za transmisję danych.

Aby zapewnić elastyczność i precyzję regulacji, IoT można zintegrować z inteligentnymi systemami oczyszczania powietrza, filtracji i inteligentnymi systemami HVAC (ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja). Na przykład, jeśli wilgotność zacznie rosnąć – sprzyjając powstawaniu pleśni – HVAC może zwiększyć usuwanie wilgoci. W innym przypadku, gdy czujniki wykryją dwutlenek węgla, lotne związki organiczne (LZO), które stanowią jedno z najpoważniejszych zagrożeń dla zdrowia ludzkiego lub inne zanieczyszczenia w powietrzu, zintegrowane systemy mogą automatycznie zwiększyć filtrację.

Powszechnie stosowane w farbach i lakierach, a także produktach czyszczących, dezynfekujących i odtłuszczających, stężenia LZO mogą być nawet dziesięciokrotnie wyższe właśnie w pomieszczeniach, niż na zewnątrz i mogą prowadzić do poważnych problemów zdrowotnych, takich jak bóle głowy, nudności, a nawet potencjalnie uszkodzić wątrobę, nerki i ośrodkowy układ nerwowy, zgodnie z EPA.

Zapewnienie czystego powietrza w edukacji

Komercyjne rozwiązania do bezprzewodowego monitorowania jakości powietrza wchodzą na rynek i dają pozytywne efekty. Na przykład w Nowej Zelandii, badania korelujące poprawę wyników w nauce uczniów, z jakością ich środowiska, w jakim przebywają, doprowadziły do uruchomienia projektu Te Haratau, będącego inicjatywą Ministerstwa Edukacji Nowej Zelandii.

– Stwierdziliśmy, że ciągłe monitorowanie szeregu zmiennych środowiskowych w pomieszczeniach może skutkować [lepszym] zdrowiem, produktywnością i zatrzymaniem pracowników – potencjalne korzyści są zbyt ważne dla każdej organizacji, aby je zignorować – wyjaśnia Peter Pooran, dyrektor generalny AirSuite.

W 2023 r. firma AirSuite wprowadziła na rynek monitor wewnętrzny przeznaczony do wykrywania i rejestrowania szeregu zmiennych środowiskowych, które mogą wpływać na zdrowie i produktywność ludzi w środowisku komercyjnym, przemysłowym i domowym. AirSuite Glance używa szeregu czujników do monitorowania dwutlenku węgla, lotnych związków organicznych, temperatury i wilgotności (a także poziomu dźwięku, światła i ciśnienia powietrza).

AirSuite wykorzystuje łączność Bluetooth LE, zapewnianą przez układ System-on-Chip (SoC) nRF52840 firmy Nordic Semiconductor, do przesyłania danych bezpośrednio do smartfona co minutę, a łączność LTE-M lub NB-IoT (komórkowy IoT) układu System-in-Package (SiP) Nordic nRF9160 wysyła odpowiednie dane do chmury w interwałach co najmniej 15 minutowych. Użytkownicy mogą nadzorować i otrzymywać powiadomienia, gdy wskaźniki środowiskowe przekroczą lub spadną poniżej wcześniej określonych progów. Jest to realizowane za pośrednictwem specjalnej aplikacji i platformy internetowej.

Dzięki układowi SiP nRF9160 firmy Nordic, COMFORT Serenity zapewnia łączność bezprzewodową obsługującą sieci NB-IoT i LTE-M

Pooran uważa, że urządzenia takie jak AirSuite Glance umożliwiają organizacjom zapewnienie optymalnego środowiska dla ich najcenniejszego zasobu, jakim są pracownicy. Przyznaje też, że nie byłoby to możliwe bez niezawodnych danych i ich bezpiecznego przesyłania przez sieć bezprzewodową.

– Łączność bezprzewodowa może zapewnić monitorowanie jakości powietrza w czasie zbliżonym do rzeczywistego, co jest niezbędne, ponieważ czynniki środowiskowe mogą się szybko zmieniać – na przykład zwiększony poziom dwutlenku węgla, wzrastający [w wyniku oddychania ludzi] w zatłoczonych salach konferencyjnych. Alerty te umożliwiają natychmiastowe interwencje, co nie jest możliwe do osiągnięcia wyłącznie poprzez analizę danych historycznych – dodaje Pooran.

Monitorowanie jakości powietrza w inteligentnych budynkach

Rozwiązanie w zakresie środowiska wewnętrznego i jakości powietrza, opracowane przez francuską firmę specjalistę Adeunis, specjalizującą się w dziedzinie czujników IoT, zostało zaprojektowane do użytku w inteligentnych budynkach. Urządzenia COMFORT i COMFORT Serenity wykorzystują czujniki temperatury, wilgotności, dwutlenku węgla i VOC, dostarczając dane do chmury w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Zasilane przez SiP Nordic nRF9160 zapewniają płynną łączność komórkową IoT obsługującą zarówno sieci NB-IoT, jak i LTE-M.

– Dzięki naszym czujnikom nadzorcy budynków uzyskują natychmiastowy dostęp do kluczowych danych dotyczących potencjalnego narażenia na wysoki poziom dwutlenku węgla lub lotnych związków organicznych ‑ wyjaśnia Catalina Raba Mora, programistka sprzętu RF w Adeunis. – Mogą one mieć szkodliwy wpływ na zdrowie, dlatego monitorujemy i utrzymujemy bezpieczne poziomy. Ponadto, dzięki precyzyjnym pomiarom temperatury i wilgotności nasze urządzenia zapewniają optymalny komfort mieszkańcom budynków.

Układ SiP nRF9160 firmy Nordic jest wyposażony w opracowany dla tego zastosowania procesor aplikacyjny Arm Cortex-M33 64 MHz, który zapewnia wystarczającą moc obliczeniową do zarządzania zestawem czujników zintegrowanych z urządzeniami COMFORT i COMFORT Serenity.

Oba urządzenia Adeunis wykorzystują intuicyjną aplikację Android z interfejsem NFC. Po przesłaniu danych z urządzenia do chmury za pomocą nRF9160 SiP, użytkownicy mogą przeglądać i zarządzać informacjami. Serwer Cloud może zapewnić kompleksowy wgląd w stan operacyjny czujników, żywotność baterii, jakość sieci i odbiór danych. Użytkownicy natomiast mogą delegować zarządzanie urządzeniami, zdalnie je konfigurować i podejmować niezbędne działania w oparciu o zebrane dane.

– Obsługa przez nRF9160 zarówno technologii LTE-M, jak i NB-IoT w jednym SiP oferuje dużą elastyczność naszym klientom – mówi Mora. – Co więcej, decydującym czynnikiem były wyjątkowe możliwości Nordic SiP w zakresie niskiego poboru mocy. W przypadku firm wykorzystujących wiele czujników w każdym budynku, maksymalizacja żywotności baterii miała kluczowe znaczenie. Nasze urządzenia mogą osiągnąć niezwykłą żywotność baterii wynoszącą 15 lat.

Oprócz wykrywania dwutlenku węgla i lotnych związków organicznych, bezprzewodowe monitorowanie jakości powietrza może być wykorzystywane do identyfikacji innych potencjalnie niebezpiecznych właściwości w środowiskach wewnętrznych. Na przykład, rozwiązanie prewencyjne opracowane w imieniu P Alert Industries przez indyjską organizację Technosphere, zajmującą się usługami inżynierii produktów, umożliwia zarządcom nieruchomości i właścicielom wykrywanie obecności metamfetaminy wewnątrz budynków.

Układ SiP nRF9160 umożliwia czujnikom jakości powietrza wysyłanie danych do chmury za pośrednictwem sieci komórkowych.

W przypadku wykrycia palenia i/lub produkcji metamfetaminy w obiekcie, P Alert Meth Alarm spowoduje natychmiastową aktywację alarmu na smartfonie użytkownika. Korzystając z łączności komórkowej IoT zapewnianej przez Nordic nRF9160 SiP, alerty i raporty o poziomie metamfetaminy w czasie rzeczywistym są przekazywane do powiązanej bezpiecznej platformy opartej na chmurze. Rozwiązanie zapewnia ciągłe monitorowanie, a użytkownicy mogą ustawić częstotliwość testów.

– Rośnie świadomość, że zanieczyszczenie nawet niskimi poziomami metamfetaminy może powodować negatywne skutki zdrowotne – wyjaśniają James Hansen i Allan Spic, dyrektorzy P Alert Industries. – P Alert Meth Alarm zapewnia wskazanie poziomu cząsteczek metamfetaminy w przestrzeni, a tym samym zanieczyszczenia. Zapobieganie skażeniu metamfetaminą jest bardziej skuteczne niż próba usunięcia skażenia po jego wystąpieniu.

Twórcy P Alert Meth Alarm preferowali łączność komórkową IoT z kilku powodów: – Zdecydowaliśmy się na łączność komórkową NB-IoT/LTE-M zamiast alternatywnych technologii LPWAN, aby przyspieszyć wdrożenie w wielu krajach na całym świecie, a także zoptymalizować zużycie energii, unikając potrzeby dodatkowej niestandardowej infrastruktury, takiej jak bramy i serwery – mówi Bhaskar Rao, dyrektor generalny Technosphere.

Zastosowanie technologii bezprzewodowej nowej generacji ułatwia dbanie o zdrowie

Kolejnym krokiem rozwoju systemów monitorowania jakości powietrza, który według Markets and Markets ma do roku 2028^[2] osiągnąć wartość 6,9 mld USD, jest wprowadzenie nowej generacji bezprzewodowych układów SoC. Kluczowymi przykładami są wieloprotokołowe układy SoC Nordic nRF54H20 i nRF54L15. Są to układy wielkiej skali integracji, charakteryzujące się małym zużyciem energii. Wysoki poziom bezpieczeństwa jest potwierdzony dla nich certyfikatem PSA Level 3. Umieszczenie wielu bloków funkcjonalnych w jednym chipie zmniejsza ponadto całkowitą listę materiałową (BOM), budowanych w oparciu o ten układ urządzeń.

Układ nRF54H20 jest idealny dla wysokiej klasy czujników jakości powietrza, które wymagają większej mocy obliczeniowej bez uszczerbku dla zużycia energii

Układ nRF54L15 nadaje się idealnie do zastosowań w urządzeniach końcowych o niskim poborze mocy i zoptymalizowanych kosztach, gotowych do obsługi kilku protokołów (w tym Bluetooth 5.4, Bluetooth NLC/Mesh 1.1, Matter, KNX IoT i innych). Z kolei układ nRF54H20 jest idealny do urządzeń wyższej klasy, które wymagają większej mocy obliczeniowej bez uszczerbku dla zużycia energii lub do zastosowań w bramkach jednoukładowych (na przykład w połączeniu z towarzyszącym układem nRF7002 dla Wi-Fi).

Oba układy SoC oferują wystarczające zasoby do obsługi uczenia maszynowego (ML). Mogą one wykorzystywać dane o jakości powietrza, gromadzone przez długi czas, do trenowania modeli ML. Modele te są następnie stosowane do czujników, które z kolei mogą pomóc w inteligentnym dostosowaniu systemów budynkowych i HVAC w celu zapewnienia optymalnego zdrowia i komfortu użytkowników.

Przykładem mogą być systemy budynkowe, które autonomicznie dostosowują ustawienia w odpowiedzi na określone zdarzenia – takie jak włączanie oczyszczacza powietrza i/lub osuszacza powietrza w oczekiwaniu na spodziewane zwiększone obłożenie budynku o określonych porach dnia, a następnie wyłączanie sprzętu, gdy ludzie opuszczają budynek. Taka optymalizacja sprzętu zmniejsza zużycie energii poprzez unikanie niepotrzebnego użytkowania. Jednocześnie tworzone jest środowisko wewnętrzne zapewniające dobre samopoczucie użytkowników.

Dalsza integracja uczenia maszynowego z bezprzewodowym monitorowaniem jakości powietrza w połączeniu z rozwiązaniami IoT, zapewnią pożądany powiew świeżego powietrza we wszystkich pomieszczeniach, w których spędzamy nasze życie.

Więcej informacji

 _________________________

[2] „Air Quality Monitoring System Market Size, Share & Trends”, https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/air-quality-monitoring-equipment-market-183784537.html