空氣質(zhì)量檢測(cè)對(duì)于健康和安全至關(guān)重要，在教室和其他教育場(chǎng)所等特定區(qū)域甚至是強(qiáng)制性要求。不過(guò)對(duì)開(kāi)發(fā)人員而言，空氣傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可能問(wèn)題重重。空氣質(zhì)量傳感器在設(shè)置期間往往看起來(lái)很不穩(wěn)定，使用時(shí)也經(jīng)常漂移現(xiàn)象。

Amphenol Advanced Sensors 提供的空氣質(zhì)量評(píng)估綜合套件可化解上述挑戰(zhàn)，讓開(kāi)發(fā)人員能夠抽出身來(lái)，專注于空氣質(zhì)量應(yīng)用而不是低層次的檢測(cè)功能。

空氣質(zhì)量差帶來(lái)的影響

空氣質(zhì)量差會(huì)給健康和安全帶來(lái)諸多影響。二氧化碳 (CO2) 和灰塵濃度是空氣質(zhì)量的兩大主要決定因素，并且已知會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。

CO2 的血濃度在很大程度上控制了呼吸速率。CO2 濃度升高會(huì)導(dǎo)致呼吸速率和心率加快，血壓上升，并增加血管舒張。有害健康的 CO2 濃度有一些早期指標(biāo)，包括分別由外周血管和腦血管舒張引起的出汗和頭疼現(xiàn)象。CO2 濃度升高對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響可能是潛伏的，表現(xiàn)的癥狀包括疲乏、困倦，直至抽搐。

在典型的室內(nèi)環(huán)境中，即使 CO2 濃度遠(yuǎn)低于產(chǎn)生顯著影響的濃度，也會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)人員工作表現(xiàn)下降和容易分神。因此，許多校區(qū)會(huì)在校舍的通風(fēng)系統(tǒng)中強(qiáng)制使用 CO2 監(jiān)測(cè)，這絲毫不足為奇。

CO2 濃度上升會(huì)對(duì)生理系統(tǒng)產(chǎn)生廣泛的影響，同時(shí)，灰塵和其他顆粒物 (PM) 由于對(duì)呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因而會(huì)增加疾病的發(fā)病率和死亡率。PM10 顆粒（2.5 到 10 微米 (μm)）和 PM2.5（小于 2.5 μm）顆粒很小，足以深入呼吸系統(tǒng)內(nèi)部。個(gè)人即使僅僅在這類顆粒濃度較高的環(huán)境中待上幾個(gè)小時(shí)，也可能顯現(xiàn)出明顯的呼吸和循環(huán)系統(tǒng)癥狀，需要入院就診。如果長(zhǎng)時(shí)間身處其中，就會(huì)增加循環(huán)和呼吸類疾病導(dǎo)致的死亡率，長(zhǎng)此以往還會(huì)增加肺癌導(dǎo)致的死亡率。更糟糕的是，世界衛(wèi)生組織發(fā)現(xiàn)，根本不存在“…不會(huì)產(chǎn)生不良健康影響的安全曝露水平或閾值”。1

傳感器挑戰(zhàn)

考慮到高 CO2 和 PM 濃度帶來(lái)的重大影響，空調(diào)、空氣凈化器和其他產(chǎn)品中所用的嵌入式空氣質(zhì)量傳感器面臨的市場(chǎng)機(jī)遇不斷擴(kuò)大。然而開(kāi)發(fā)這類系統(tǒng)可能頗具挑戰(zhàn)性。即使是對(duì)其他傳感器類型有著豐富經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)人員也會(huì)發(fā)現(xiàn)，空氣質(zhì)量傳感器因其特殊的貼裝、屏蔽和校準(zhǔn)需求，可能令人難以掌控。

Amphenol 的空氣質(zhì)量評(píng)估套件 AAS-AQS-UNO-RH-CO2 旨在化解以上挑戰(zhàn)，為快速開(kāi)發(fā)這類系統(tǒng)提供完整的硬件和軟件平臺(tái)。該套件圍繞 Arduino 兼容型板構(gòu)建，提供了小型顯示屏和多個(gè) Telaire/Amphenol 傳感器，包括該公司的 SM-PWM-01C 灰塵傳感器、T6713 CO2 傳感器和 T9602 濕度及溫度傳感器。傳感器和顯示屏均通過(guò)傳感器擴(kuò)展板連接到主板（圖 1）。

圖 1： Amphenol 空氣質(zhì)量評(píng)估套件包括通過(guò)傳感器擴(kuò)展板連接到灰塵傳感器（板右側(cè)）的 Arduino 兼容型板、顯示屏、CO2 傳感器（左側(cè)），以及濕度/溫度傳感器（包扎式電纜）；通過(guò)一個(gè) USB 接口提供到主機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單電纜連接（左下角）。（圖片來(lái)源： Amphenol）

在軟件端，Amphenol 的空氣質(zhì)量軟件包基于 Arduino 軟件庫(kù)構(gòu)建，可提供高層次空氣質(zhì)量應(yīng)用的基礎(chǔ)。

開(kāi)發(fā)人員可使用隨套件提供的全部傳感器或僅使用其中幾個(gè)傳感器來(lái)對(duì)空氣質(zhì)量傳感器設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。工程師在開(kāi)發(fā)用于空調(diào)、空氣凈化器或煙霧檢測(cè)器的空氣質(zhì)量傳感器系統(tǒng)時(shí)，可能會(huì)將其焦點(diǎn)局限于 PM 檢測(cè)。用于評(píng)估灰塵傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，Amphenol 還提供了 AAS-AQS-UNO 套件，該版本的套件包含相同的 Arduino 兼容型板、傳感器擴(kuò)展板和顯示屏，但僅包含 SM-PWM-01C 灰塵傳感器。

PM 檢測(cè)

不論單獨(dú)使用還是與其他傳感器組合使用，SM-PWM-01C 灰塵傳感器都旨在提供 PM 檢測(cè)的直接替代解決方案。該器件集成了檢測(cè)細(xì)小顆粒所需的全部元器件，包括穩(wěn)壓器、放大器、靈敏度控制子系統(tǒng)和氣流室（圖 2）。

圖 2： Amphenol SM-PWM-01C 灰塵傳感器是一個(gè)完整的信號(hào)處理系統(tǒng)，它對(duì)通過(guò)的顆粒進(jìn)行紅外檢測(cè)，以生成對(duì)應(yīng)小顆粒 (P1) 和大顆粒 (P2) 的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。（圖片來(lái)源： Amphenol）

在傳感器的灰塵檢測(cè)室內(nèi)，紅外光發(fā)射二極管 (IR LED) 向通過(guò)的灰塵顆粒發(fā)出紅外光。匹配的光電二極管檢測(cè)反射的 IR，信號(hào)路徑則將原始檢測(cè)器的輸出轉(zhuǎn)換為一對(duì)采用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 的輸出流。在檢測(cè)室內(nèi)，傳感器使用將自身溫度升高 40°C 以上的電阻器，以形成恒定的空氣對(duì)流。因此需要將灰塵傳感器安裝在垂直位置（如圖 1 所示）。

空中懸浮顆粒的大小不一。例如灰塵和花粉顆粒的平均大小約為 20 μm，而香煙的顆粒大小約為 1 μm。如前所述，不同大小的顆粒都會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的健康問(wèn)題。2.5 μm 及以下的顆粒尤其引人關(guān)注，因?yàn)檫@類顆粒能夠穿透末端支氣管直抵肺泡，有可能妨礙紅血球攜帶氧氣的能力。于是，灰塵傳感器開(kāi)發(fā)人員找到了評(píng)估顆粒大小的一項(xiàng)關(guān)鍵要求。

盡管 SM-PWM-01C 灰塵傳感器無(wú)法對(duì)單獨(dú)的顆粒計(jì)數(shù)，但它提供了一種方法，利用其 P1 和 P2 輸出端口的 PWM 波形轉(zhuǎn)換來(lái)檢測(cè)不同相對(duì)大小的顆粒（圖 3）。在每次輸出時(shí)，一個(gè)有源低電平信號(hào)代表檢測(cè)到一個(gè)顆粒。通過(guò)在軟件中比較 P1 和 P2 的轉(zhuǎn)換時(shí)間，工程師可以估算相對(duì)顆粒大小。

圖 3： Amphenol SM-PWM-01C 灰塵傳感器的 P1 和 P2 PWM 輸出在檢測(cè)到顆粒時(shí)轉(zhuǎn)換為低電平，從而實(shí)現(xiàn)了借助一種簡(jiǎn)單的解決方案來(lái)估算局部環(huán)境內(nèi)顆粒物的相對(duì)大小和濃度。（圖片來(lái)源： Amphenol）

顆粒密度

顆粒大小當(dāng)然不是 PM 檢測(cè)唯一關(guān)注的指標(biāo)。高濃度的 P10 和 PM2.5 可能給發(fā)病率帶來(lái)直接影響?；覊m傳感器的 PWM 信號(hào)提供了一種簡(jiǎn)單、有效的方法來(lái)確定相對(duì)濃度。Amphenol 將低脈沖占有 (LPO) 因數(shù)定義為每個(gè)輸出信號(hào)低于相應(yīng)的整體測(cè)量窗口的時(shí)間百分比。因此，根據(jù)圖 3，P1 LPO = ∑(T1+T2+…+T8)/Top。Amphenol 利用自己的測(cè)試設(shè)施，演示了 LPO 與灰塵濃度之間的單調(diào)遞增關(guān)系（圖 4）。

圖 4： Amphenol SM-PWM-01C 灰塵傳感器輸出轉(zhuǎn)換為由 Amphenol 確定的具體灰塵濃度值。（圖片來(lái)源： Amphenol）

在其示例軟件包中，Amphenol 提供了用于確定濃度的兩種不同設(shè)計(jì)方案。在一種方案中，軟件示例演示了使用主循環(huán)直接對(duì) PWM 輸出流中的轉(zhuǎn)換數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。另一種方案則提供了能夠與其他軟件操作配合的更為靈活的中斷驅(qū)動(dòng)方法（列表 1）。在后一示例中，軟件使用 PinChangeInterrupt 庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)與 Arduino 中斷隔離的簡(jiǎn)單中斷鏈。

// Assign your channel in pins

#define PM10_IN_PIN 8 //input for PM10 signal, P2

#define PM2_IN_PIN 7 //input for PM2 signal, P1

// Assign your channel out pins - built in LED is 13

#define PM10_OUT_PIN 3

#define PM2_OUT_PIN 13

// using the PinChangeInt library, attach the interrupts

// used to read the channels

attachPCINT(digitalPinToPCINT(PM10_IN_PIN), calcPM10, CHANGE);

attachPCINT(digitalPinToPCINT(PM2_IN_PIN), calcPM2, CHANGE);

// simple interrupt service routine

void calcPM10()

{

// if the pin is low, it’s a falling edge of the signal pulse, so let’s record its value

if (digitalRead(PM10_IN_PIN) == LOW)

{

ulPM10_Start = micros();

}

else

{

// else it must be a rising edge, so let’s get the time and subtract the time of the rising edge

// this gives use the time between the falling and rising edges i.e. the pulse duration.

unPM10_InShared = (uint16_t)(micros() - ulPM10_Start);

// use set the PM10_ flag to indicate that a new PM10_ signal has been received

bUpdateFlagsShared |= PM10_FLAG;

}

}

void calcPM2()

{

if (digitalRead(PM2_IN_PIN) == LOW)

{

ulPM2_Start = micros();

}

else

{

unPM2_InShared = (uint16_t)(micros() - ulPM2_Start);

bUpdateFlagsShared |= PM2_FLAG;

}

}

列表 1：Amphenol 軟件包的這一局部片段演示了用于確定灰塵濃度的中斷驅(qū)動(dòng)方法的設(shè)計(jì)方案。（代碼來(lái)源： Amphenol）

CO2 檢測(cè)

與 Amphenol 灰塵檢測(cè)器一樣，IR 檢測(cè)也是 Amphenol T6713 CO2 傳感器的核心功能。但 T6713 是一個(gè)非分散紅外 (NDIR) 傳感器，其測(cè)量的是傳感器室內(nèi)空氣中的 CO2 特征波長(zhǎng)的吸收，而不是測(cè)量反射。依據(jù)此采樣方法，只需讓環(huán)境空氣擴(kuò)散到其檢測(cè)室即可。因此，對(duì)習(xí)慣獲得直接、精確的結(jié)果的設(shè)計(jì)人員而言，這些器件可能看起來(lái)有些怪異。

操作 CO2 傳感器的主要挑戰(zhàn)之一是它們很容易出現(xiàn)漂移。即便用最好的元器件和設(shè)計(jì)方法構(gòu)建而成，由于元器件的正常老化（尤其是其 IR 光源），任何氣體傳感器都會(huì)出現(xiàn)漂移。在過(guò)去，重新校準(zhǔn)需要現(xiàn)場(chǎng)工程師以物理方式，通過(guò)緊密的管接頭將傳感器連接到氣體導(dǎo)管，來(lái)大幅增加此類傳感器的總體生命周期成本。

Amphenol 使用專有的自動(dòng)背景校準(zhǔn) (ABCLogic) 機(jī)制避免了這一手動(dòng)重新校準(zhǔn)的要求。當(dāng)在 NDIR CO2 傳感器中集成的 MCU 上運(yùn)行時(shí)，ABCLogic 算法會(huì)收集過(guò)去 14 天內(nèi)每天最低的 CO2 濃度水平。由于 CO2 濃度會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸恢復(fù)到外部空氣濃度，因此該算法取這些最小濃度作為基準(zhǔn)讀數(shù)。它會(huì)忽略可能出現(xiàn)的離群值（即使房間連續(xù)幾天內(nèi)被通宵達(dá)旦占用時(shí)亦如此）。然后，該算法會(huì)分析上述每日樣本并糾正傳感器校準(zhǔn)，以計(jì)入外部空氣預(yù)期基準(zhǔn)之上任何一致的細(xì)小變化（或漂移）。

這一自校準(zhǔn)功能被證明在剛剛完成安裝后極為有效。任何使用擴(kuò)散采樣的 NDIR CO2 傳感器對(duì)于搬運(yùn)、安裝環(huán)境的特定性質(zhì)和安裝過(guò)程都特別敏感。安裝期間，現(xiàn)場(chǎng)工程師即使在傳感器附近進(jìn)行普通呼吸，也可能會(huì)影響讀數(shù)，需要幾天時(shí)間才能復(fù)原。事實(shí)上，在同一空間內(nèi)安裝多個(gè) CO2 傳感器也可能產(chǎn)生不同的結(jié)果。但憑借 Amphenol 的 ABCLogic 算法，傳感器能夠自行糾正，從而長(zhǎng)期顯示一致的結(jié)果（圖 5）。

圖 5： 安裝時(shí)，由于安裝過(guò)程（第 1 天）中的應(yīng)力和條件，即使相同的 CO2 傳感器（在此顯示為不同顏色的線條）也可能出現(xiàn)漂移，但 Amphenol 專有的 ABCLogic 算法可對(duì)傳感器進(jìn)行自校準(zhǔn)，以逐漸恢復(fù)精度。（圖片來(lái)源： Amphenol）

在傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，工程師可按各種輸出模式使用 Amphenol T6713 CO2 傳感器。該器件可設(shè)為生成與傳感器范圍成正比的 PWM 輸出。它還支持 UART 和 I2C 接口模式，因此設(shè)計(jì)人員能夠使用簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)連接連接到主機(jī) MCU。該器件將 Modbus 協(xié)議用于 UART 和 I2C 通信。在 I2C 模式下，它采用 I2C 格式封裝消息，而不是使用串行線路協(xié)議。該消息格式自身非常簡(jiǎn)單，根據(jù)請(qǐng)求塊和響應(yīng)塊，將基本函數(shù)代碼和相連字節(jié)用于相應(yīng)的地址、寄存器或數(shù)據(jù)（圖 6）。

圖 6： Amphenol T6713 CO2 傳感器在請(qǐng)求（頂部）和響應(yīng)中使用了一種簡(jiǎn)單的消息格式，只需幾行軟件便可實(shí)現(xiàn)傳感器操作。（圖片來(lái)源： Amphenol）

#define ADDR_6713 0x15 // default I2C slave address

byte data[6];

int CO2ppmValue;

void GetCO2PPM()

{

// start I2C

Wire.beginTransmission(ADDR_6713);

Wire.write(0x04); Wire.write(0x13); Wire.write(0x8B); Wire.write(0x00); Wire.write(0x01);

// end transmission

Wire.endTransmission();

// read report of current gas measurement in ppm

delay(2000);

Wire.requestFrom(ADDR_6713, 4); // request 4 bytes from slave device

data[0] = Wire.read();

data[1] = Wire.read();

data[2] = Wire.read();

data[3] = Wire.read();

// Serial.print("Func code: "); Serial.println(func_code);

// Serial.print("byte count: "); Serial.println(byte_count);

// Serial.print("MSB: "); Serial.print(data[2]); Serial.print(" ");

// Serial.print("LSB: "); Serial.print(data[3]); Serial.print(" ");

CO2ppmValue = ((data[2] & 0x3F ) << 8) | data[3];

//Serial.print(ppmValue);

//return ppmValue;

}

列表 2： Amphenol 軟件包中的這一函數(shù)使用標(biāo)準(zhǔn) Arduino Wire 庫(kù)來(lái)訪問(wèn) CO2 傳感器，并使用傳感器的簡(jiǎn)單消息格式讀取結(jié)果。（代碼來(lái)源： Amphenol）

最后，T9602 濕度和溫度傳感器在一個(gè) IP67 模塊中集成了 ASIC、EEPROM 和電容式聚合物傳感器。內(nèi)置系統(tǒng)可提供溫度補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn) ±2% 的相對(duì)濕度測(cè)量精度，并在其 -20°C 至 70°C 的工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) ±0.5°C 的精度。與 T6713 CO2 傳感器一樣，T9602 也提供了多個(gè)接口選項(xiàng)，包括 I2C 和脈沖密度調(diào)制 (PDM) 輸出。借助該器件高水平的集成和簡(jiǎn)單的接口選項(xiàng)，開(kāi)發(fā)人員可輕松地在設(shè)計(jì)中部署該器件。在軟件端，開(kāi)發(fā)人員使用相同的簡(jiǎn)單 Arduino Wire.write() 和 Wire.read() 命令（如列表 2 所示）從 T9602 讀取數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)寫入其中。

盡管對(duì)多數(shù)開(kāi)發(fā)人員而言，T9602 可能代表了更為熟悉的檢測(cè)范式，但評(píng)估套件的硬件和軟件讓灰塵和 CO2 檢測(cè)變得同樣簡(jiǎn)單易行。該套件基于廣泛使用的 Arduino 軟件平臺(tái)構(gòu)建而成，因此可協(xié)助開(kāi)發(fā)人員在通用的環(huán)境中輕松開(kāi)展工作。

總結(jié)

空中懸浮顆粒物和過(guò)高的 CO2 濃度對(duì)健康和安全具有短期和長(zhǎng)期影響，因而持續(xù)引發(fā)人們的關(guān)注。產(chǎn)品制造商希望借助空氣質(zhì)量檢測(cè)功能滿足這一需求，但工程師們發(fā)現(xiàn)其面臨著灰塵和 CO2 測(cè)量獨(dú)有的諸多挑戰(zhàn)。

憑借 Amphenol 的空氣質(zhì)量評(píng)估套件，工程師可以利用精密的氣體傳感器來(lái)處理這些低層次的細(xì)節(jié)。反過(guò)來(lái)，工程師可以轉(zhuǎn)而專注于高層次的空氣質(zhì)量應(yīng)用。