智慧城市:物联网技术和电化学传感器的新系统检测空气质量
发布日期：2018/9/21
目前来看，与智慧城市关系最为紧密的技术包括：无人驾驶、机器学习、和物联网（IoT）这些利用城市不同方面的大数据，来使得城市居民生活更加便利。其中，物联网已经在多个国家和地区开始部署了。比如，美国的圣地亚哥市已经在城市中装置了3200个检测器来收集路况信息，如果有路面情况有任何问题市政府可以第一时间通知市民，并及时实施解决措施。
那么，智慧城市是如何帮助提升空气质量的呢？
我们先看一下目前一般城市是如何监测空气质量的。
进行空气采样的空气质量监测站（AQM）一般只会分布在城市中的几个点位。随后，数据汇总形成整个城市的空气质量指数（AQI）。
然而，由于监测站的数据有限，因此它收集到的数据也非常有限，所以想要解城市各个街区的详细情况就很难了。这也导致了一些问题，比如，对于北京这样一个市区面积将近 700 平方公里的城市来说，东城区的空气监测站出来的数据，可能对于生活在西五环的居民作用并不大。
然而，智慧城市物联网（IoT）技术和电化学传感器的新系统，却可以改变空气污染的监测方式。大量的更易安装的传感器组成网络，收集和发送大量空气数据。利用这些数据，城市可以绘制高污染区域，跟踪一段时间内的变化，识别污染源，并提出干预措施。
如何应用物联网具体监测空气质量？具体来说，目前已经尝试投入使用的有两大类：使用移动传感器，或将传感器安装在现有基础设施中。
移动传感器监测空气质量
我们在前面提到了传统的空气质量监控站占地面积大，且收集的数据有限。于是，研究人员突发奇想：如果能让汽车在城市里跑一圈来监测空气质量，那不是既省空间又可以多搜集数据了吗？
2014年，谷歌公司开始为街景汽车配备智能环境移动平台。该平台上的传感器可测量颗粒物、二氧化碳、二氧化氮等气体的含量。在丹佛的一次试验中，谷歌的车在750小时的驾驶中收集了超过1.5亿个数据点，创建了丹佛市的街道空气质量地图。
但是，热爱环保的欧洲人民认为，汽车跑起来还是会污染空气！我们要用自行车！因此，2014 年爱尔兰首都都柏林市的 30 位热心居民，给自家的自行车上安上了空气传感器，用于测量空气中二氧化碳、一氧化碳、烟雾和微粒含量。
在三天内，这些自行车收集了整个城市的空气数据。爱尔兰全国各地的研究人员对这些数据进行了研究和绘图。虽然这次试验仅产生了为期三天的数据，但却推广了将传感器搭建在自行车的共享计划。这一项目不仅节省了固定地点的安装费用，还更加环保。
但伦敦人民不高兴了：骑一天自行车，那还不活活把人累死？现在又没有发明出什么无人自行车。那怎么办？
于是，脑洞大开的伦敦人民选择让不需要人力物力、还超级环保的和平鸽来作为移动载体。
对，就是让传感器飞一会儿……
2016年3月，伦敦市将用于空气检测的每个重达25克的传感器绑在10只鸽子的身上。这10只鸽子将在城市各处飞行。它们携带传感器，监测二氧化氮、臭氧和其他挥发性化合物的含量。在飞行过程中，鸽子们收集到的数据会集中成网络。而伦敦人可以通过推特（Twitter）@PigeonAir来询问他们所在地区的污染程度。
鸽子们虽然省了人力，但是毕竟鸽子数量有限。可以说，一次性移动传感工作可能非常适合没有大量资金、并且刚刚进入智慧城市领域的城市。但是，毕竟是一次性使用，如果想要一年365天不断运行，这些手段似乎并不奏效。但空气质量检测必须每时每刻都有，如果没有 24/7 的监测系统，城市的空气质量如何得到真正的保证？因此，目前大多数正在完善中的智能城市都选择了将传感器安装在现有基础设施中。
小探最近采访了位于硅谷的一家着力于空气质量监测技术的环保创新公司Clarity Movement。这是一家典型的为智慧城市提供空气监测器技术并提供数据分析的公司。
如何更加实际地监测空气质量？下面，Clarity Movement的创始人 David Lu 和业务发展总监 Sean Wihera 会和大家分享一下他们的观点。
非移动传感器监测空气质量
我们已经提到过的空气质量监测站（AQM）。占地面积大，很难覆盖大片面积的空气监测，同时人力物力要求都很高。有了物联网之后，尤其是智慧城市概念的兴起，体积小，方便安装的非移动传感器很快就占领了市场。
但是，并不是所有的传感器都适合智慧城市的发展。
“传统上的传感器，一般是一家机械工程制作，所得数据由当地政府分析。通常这些传感器价格很高，而传统的机械工程的思想在智慧城市并不足够。这是因为一个传感器应该是硬件、软件、数据分析相结合的一个系统。”Clarity Movement的CEO点出了目前传统空气监测传感器的一些痼疾。
2014年，还在加州伯克利大学读大二时的David，决心成立一家最高效地监测空气质量的的技术公司。Clarity Movement 由此而诞生，并进驻伯克利大学 CITRIS Foundry 孵化器。从高中时就开始关注环保项目的David，想做的并不是卖出一台机器那么简单。他更想让人们彻底改变对城市空气污染的理解和应对方式。
监测和记录相关的空气污染物，是最基本的任务。但是，有多少人了解行人、骑自行车的人、司机和当地居民的污染风险指数？如何衡量道路交通、交通灯、公交、地铁站受到的污染影响？普及电动公交车，从长远来看到底能为城市人口减轻多少环境污染？这些问题，只有通过最精确的长时间多地点监测，收集大量数据，并进行各种分析才能知道。
Clarity Movement 的 Clarity Air Monitoring 监测器在2017年推出，核心就是“可靠精准的高密度空气质量检测+人工智能校准+深入缝隙”。具体是如何做的呢？
监测器包含了耐用的环境传感器，并带有防风雨外壳。并且，监测器使用方便，几分钟之内便可以安装在电线杆等固定物体上。在其内部，数以百计成千上万的 Clarity Nodes（节点）可以收集实时空气质量数据。
然后，收集的数据会上传到 Clarity Cloud，其中 Clarity 专有的智能校准技术应用先进的算法，根据世界各地污染物的独特区域特征输出准确的空气质量数据。 Clarity Cloud 允许高度可扩展的网络，能够实时存储和校准大量不同的数据集。
对于用户来说，用户可以上网登录 Clarity Smart City 门户，访问空中监控网络数据，查看历史趋势，下载数据以进行深入的数据分析。
对于智能城市来说，仅仅有检测出的数据还并不最够，Clarity Movement 又研发出了 Clarity OpenMap ——一个开放式访问空中监控点的全球网络，真正将数据联网，全球共享。
在 Clarity Movement的官网上，公司宣称自己是目前市面上检测精确率最高但价格最低的空气监测系统。
业务发展总监 Sean 给小探算了一笔账，目前一般的监测器一台大约一万美金，约七万人民币。而同时维护费等各种“隐藏”的服务费使得接下来政府每年还要投入 2000 美金（具体还要看不同地区以及器械损耗程度)。
而 Clarity Movement 的所有服务加在一起，也只需每年 2000 美金。因此，相比于之前一个地点需要一个多达几万块的高价相比，城市可以用更低的价格在不同地区布置更多的 Clarity Movement 监测器。这也是为什么目前全球已有 26 个国家、40 个城市在与这家公司合作。
价格降低后质量会不会下降呢？自然科学杂志 Nature 的一项研究曾经提过，“降低成本不可避免地降低了特异性或灵敏度，或两者兼而有之。” 传统上，低成本的空气质量传感器往往无法吸收更细小的颗粒，其读数可能会受到气象条件的影响。但是，Clarity 却做到了低价与高精准率共存。
众所周知，目前空气质量检测的精确率并没有一个统一标准。但是，Clarity Movement 却大胆地做了一个实验。原来，公司曾经邀请15个城市安装了目前市场上最流行的多款监测器，并一同工作几个月。之后，这些城市通过对比检测的具体数据，肯定了Clarity Movement 的最高精准率。
这是怎么做到的呢？
原来，普遍的低成本传感器在极端环境下（如高湿度）和长期稳定性上的表现有所欠缺。同时，市场上普遍采用的PM2.5传感器，是只基于激光散射计数法，对于PM2.5的具体大小分布、密度无法直接测量。至于普遍采用的化学污染物，大都为电化学传感器。但温湿度、及跨气体灵敏度对电化学传感器干扰很大。这都导致了低成本传感器的读数与现实差距很大，只能质化，不能量化。
然而，Clarity Movement 的解决方案却避免了这些问题。这是因为 Clarity 采用的PM2.5传感器为完全自主开发，其技术不仅能像市面上的传感器那样测量数量浓度，还可以直接测量PM2.5的大小分布。
并且，Clarity Movement 方案里的化学物传感器不止有电化学传感器，还有金属氧化物传感器。这样一来，利用自主开发的融合算法结合多个传感器的原始信号，避免了于最终读数的影响。同时，Clarity Movement 的方案还利用了人工智能的云端校准技术，这使得测量的读数可以基于地方特有的污染物构成来校准最终读数。这样，不仅能够得到较高的相对精度，还能获得较高的绝对精度。
没想到，一个小小的传感器，用到的技术却如此复杂！研究者们为了空气质量也是操碎了心。面对智慧城市的到来，雾霾会不会加速被消灭？虽然我们不得而知。但是对于空气质量检测，小探相信，智慧城市的物联网绝对可以帮上大忙。
来源： 硅谷密探
