利用先进的集成传感器对现代建筑进行 IAQ 工程监测

人们的大量时间是在家庭、办公室和学校度过的。根据美国环境保护署 (EPA) 的数据，美国人大约有 90% 的时间在室内度过，室内污染物的浓度是室外的 2 到 5 倍。根据 EPA 的说法，影响室内空气质量 (IAQ) 的污染物大多来自建筑物内部，但也有一些来自室外。

由于空气质量与人类健康福祉直接相关，因此 IAQ 监测变得日益重要且愈发普及。法规要求在不断升级，进一步提升了市场对这类解决方案的关注度，而空气质量传感器的技术进步则为其提供了核心支撑。

室内和室外污染源

造成室内空气污染的常见来源包括烟草烟雾、燃烧燃料的电器、燃烧木材和煤炭的壁炉、建筑材料和家具，以及清洁剂、油漆和空气清新剂等家居产品。烟火会直接向室内环境释放一氧化碳 (CO)、氮氧化物 (NOx) 和颗粒物 (PM)，而家居产品则会直接向室内空气中引入多种不同的化学物质，包括挥发性有机化合物 (VOC)。

相对湿度 (RH) 和温度也被认为是重要的 IAQ 参数，因为它们会影响人的舒适度、健康和空气中其他污染物的含量。

诸烟囱里的烟雾等室外空气污染物会通过窗户、通风系统和结构缝隙重新进入室内，而来自建筑物地基的氡也会通过裂缝或缝隙进入室内。当建筑内的住户用水进行淋浴、烹饪和清洁时，供水中的挥发性化学物质也可能会污染室内空气。此外，人们在进入建筑物时，会不经意地将鞋子和衣服上的泥土和灰尘以及附着在这些颗粒上的污染物带入室内。

此外，室内空气中还有病毒和细菌、动物皮屑、室内灰尘、螨虫和花粉等生物污染物，这些都是由人类、动物和植物产生的。

空气污染对健康的危害

良好的空气质量对人类健康至关重要。空气质量差会导致各种问题，从呼吸道疾病到疲劳和过敏，包括对眼睛、鼻子和喉咙的刺激。与室内空气污染物有关的其他严重健康问题，包括心脏病和癌症。

氡、CO、军团菌等常见的室内污染物与不良健康问题之间的联系已得到公认。例如，氡是一种已知的人类致癌物质，是非吸烟者患肺癌的主要原因。短时处于存在高浓度一氧化碳的室内环境中也可能致命。此外，军团菌病是一种因接触军团菌而引起的肺炎，其发病与空调或供暖系统、热水浴缸和管道维护不善的建筑物有关。

健康建筑标准与合规性

多年来，业内已制定了多项相关标准，用于指导室内 IAQ 的监测和保持。住宅和商业建筑的业主都必须尽可能遵守这些规定，以确保居住者的健康。

提供此类指导原则的机构包括美国环保署 (U.S. EPA)、世界卫生组织 (WHO)、职业安全与健康管理局 (OSHA)、美国采暖、制冷和空调学会 (ASHRAE) 以及 WELL 建筑研究所。要求系统监控和保持良好 IAQ 的著名建筑标准包括：加州能源委员会制定的加州第 24 条 (CA 24) 和美国全球建筑委员会 (USGBC) 制定的能源与环境设计先锋 (LEED) 评级系统。在这些标准中，尤其是 RESET 空气标准是公认的全球室内空气质量监测和认证基准，该标准重点关注重要的室内空气质量参数的实时数据驱动型测量。

能够精确监测空气污染的一体式传感器

对于像 Sensirion 这样的传感器制造商来说，遵守相关建筑标准是满足市场期望的必要条件。因此，他们设计和制造的产品符合 RESET、WELL、CA24 和 LEED 标准。此外，与需要多个传感器来监测 IAQ 参数的传统产品不同，Sensirion 通过开发易于实施的紧凑型 SEN6x 模块化传感器平台（图 1），简化了操作。

该设备采用集成算法，可监测多达九项环境参数，包括 PM1、PM2.5、PM4、PM10、相对湿度 (RH)、温度、VOC 指数、NOₓ、二氧化碳 (CO₂) 以及 / 或者甲醛 (HCHO)。

图 1：一体式 SEN6x 传感器平台能够测量多达九个环境参数。(图片来源：Sensirion AG）

SEN6x 模块的关键部件是微型微机电系统 (MEMS) PM 检测单元，即 SPS6x。该器件凭借其获得专利的几何布局、先进的 MEMS 技术及封装工艺，可将光源、探测器、信号处理和算法集于一体，成为可用于测量 PM1、PM2.5、PM4 和 PM10 的高性价比紧凑型解决方案。板载算法用于进行散射光分析，以确定颗粒物的大小分布和质量浓度。这款创新型芯片级 PM 感测技术，结合专利鞘流设计，使 SEN6x 传感器既实现了卓越的防尘性能与超长使用寿命，又具有极低的功耗。

该系列的主要型号是 SEN66，可测量 PM、温度、VOC、NOx 和 CO₂。为使用户能够从集成传感器模块获得更快、更可靠的温度读数，SEN66 搭载了 Sensirion 专有的温度加速 (STAR) 引擎。该引擎可在最终产品达到热稳定状态之前动态地估计温度值。

在应用开发方面，Sensirion 提供 SEK-SEN66 评估套件（图 2）。该评估套件配备了用于测量多种污染物的 SEN66 集成传感器节点、一根适配器电缆和一套用于原型开发的跳线。

图 2：SEK-SEN66 评估套件包括集成传感器模块、一根适配器电缆和用于连接和一组用于原型开发的跳线。(图片来源：Sensirion AG）

为了使用 Sensirion 的用户友好型软件 ControlCenter，用户必须单独购买 SEK-SensorBridge（传感器桥接器）（图 3），通过其接口桥接传感器和主机。

图 3：SEK-SensorBridge 是 Sensirion 用于评估传感器的通用接口工具。(图片来源：Sensirion AG）

SEK-SensorBridge 技术指南介绍了如何使用适配器电缆将传感器评估板与 SensorBridge 连接，如何通过 USB 电缆与 PC 连接。

分立式 IAQ 传感器

Sensirion 还提供多种分立式 CO₂、RH 和温度传感器。用于 CO₂ 监测时，可选择著名的 SCD43 和 STCC4 型号（图 4）。SCD43 是一种光声非色散红外 (NDIR) CO₂ 传感器，而 STCC4 则采用了热传导检测技术。STCC4 被称为新一代 CO₂ 传感器，采用公司旗下最小的封装尺寸 (4 mm x 3 mm x 1.2 mm)，可集成到紧凑型电子设备中。

图 4：STCC4 是外形最小的紧凑型电子设备之一。(图片来源：Sensirion AG）

对于侧重于室内 RH 和温度参数的应用，分立式 SHT4x 系列传感器可在降低功耗的同时提供高精度。该系列专用于电池供电型移动设备，且符合 RESET 和 WELL 标准。

结语

为了简化 IAQ 监测仪的评估和应用，传感器专业厂家 Sensirion 开发了一体化解决方案，将多个传感器与算法和软件集成在一起。这些解决方案只需使用一个紧凑型模块，即可精确测量各种空气质量参数。除了降低成本和缩短上市时间外，集成传感器模块还实现了更低的能耗。同时，Sensirion 提供的分立式传感器具有体积小、精度高、长期稳定且易于集成等显著特点。