PurpleAir:物联网传感器飙升至13000英尺

初创公司PurpleAir以计算灰尘为生。它的消费者级传感器测量空气中悬浮颗粒物(PM)中的灰尘颗粒，使用激光颗粒计数器，可以计数0.3微米到10微米的颗粒大小。加上电源、WiFi和互联网，PurpleAir将设备的所有数据输入在线地图，显示世界各地的当地空气质量，无论设备安装在哪里。相对精确的传感器，合理的成本和拥有和设置的便利性，正在不断增长的用户群。

担忧是用户基数增长的潜在因素，但加速额外传感器安装的是火灾。特别是在加州，过去几年的大火已经悲惨地摧毁了城镇和生命，产生的烟雾是另一种远距离危险。2018年加州巴特县营火的烟雾在旧金山湾区徘徊了至少一周。一个图表能源研究所的一篇文章显示，火灾发生后，PurpleAir传感器的安装量激增。

“这是真的……我不认为这只是一时的流行。我不认为它会消失，”TD环境服务有限责任公司(加州佩塔卢马)的蒂姆·戴说。戴伊是一名独立咨询顾问，他与社区团体、学校和其他组织合作，以了解和安装这项技术。他还从这些系统中进行数据管理和数据解释。“部分原因是我正在合作的一些组织对此非常感兴趣。”

甚至一座山也被监控着。2019年7月29日，在加利福尼亚州怀特山研究中心的一个小型天文圆顶的一侧，一个PurpleAir PM传感器安装在海拔最高的位置，大约13000英尺。

该公司和其他物联网空气监测公司的数据正在帮助弥补数据数量和信息类型方面的差距。PurpleAir的传感器主要测量2.5微米或更小的pm2.5。戴伊说:“这些是进入我们肺部的小颗粒。“它不能测量更大的东西，比如灰尘颗粒。它做得不好。”

但这没关系。戴伊说:“紫色空气很擅长探测空气中的烟尘。”他说，尽管在加州发生山火紧急情况期间，一些新的临时参考监测仪和现有的监测仪一起上线了，但“整个州的参考监测仪只有这么多。但这些传感器足以填补一些空白，并给出空气中有多少烟的指示。是一点点，作为一个适中的量，是很多，还是，你知道，一个巨大的量?它会给出一个相对的，你知道，非常好的相对指示。因此，人们可以弄清楚现在哪里是干净的，哪里有烟，以及它的发展方向。”

虽然PurpleAir不是该级别唯一的消费者物联网空气质量传感器，但与政府机构使用的专业级空气质量传感器监管传感器相比，PurpleAir优势明显，后者每个成本为1.5万至2万美元。

但是PM传感器还不完善。“其中一些可能是不准确的。但也有其他的——PurpleAir就是其中之一——可以探测空气中的颗粒，并且做得很好，”Dye说。戴伊说:“PurpleAir的传感器读数比州、地方和机构空气质量机构的参考监测仪(如专业级)高得多。”“但话虽如此，你绝对可以跟随潮流。当空气中有更多的粒子时，它就会增加。当数量减少时，它会减少。如果你快速跟踪趋势，你会发现(PurpleAir传感器)在测量空气中某些类型的颗粒方面做得不错。”

传感器数据有时很难清理。戴伊说:“许多组织开始研究算法和方法来清理它，或使其正常化，以便更接近真实发生的情况，其中一件有趣的事情是，在去年的火灾期间，紫色空气的读数很高。他们的阅读量高了45%。有一些方法是相当直接的，你可以阅读，你可以将其规范化，你可以让它更接近真实发生的事情。”

PurpleAir知道它的传感器有时读数很高。PurpleAir在其网站上的一个常见问题解答中说:“野火烟雾中的PM2.5与从砾石坑吹出的灰尘中的PM2.5的密度不同。这意味着PurpleAir传感器报告的质量浓度可以根据给定区域PM的特定成分而变化。从而使传感器看起来“读数高”。到目前为止，两个不同的研究小组已经完成了各自地区的研究，为PurpleAir创建了特定于气棚组成的转换因子(PurpleAir地图上的AQandU和LRAPA)。”

更多的算法即将问世。

图1:与监管传感器相比，PurpleAir的传感器在2018年加州营火期间高估了烟雾，但它一直在检测PM2.5的峰值。资料来源:TD环境服务

图2:天文圆顶位于海拔约13000英尺的地方，位于加州大学高海拔研究中心白山研究中心之上，靠近加州因约县的古牛尾松林。如上图所示，PurpleAir传感器安装在圆顶的另一侧。图片来源:Susan Rambo/半导体工程

图3:安装在天文圆顶上的PurpleAir传感器白山研究中心在加州。根据安装人员的说法，该传感器是截至2019年7月29日最高的PurpleAir传感器。背景是白山，白山中14000英尺高的山。图片来源:Susan Rambo/半导体工程

图4:抬头看PurpleAir传感器。

图5:位于约13000英尺高空的白山研究中心的PurpleAir传感器。

专业级与消费级物联网
昂贵的监管级监测器总是需要的。“每个机场都有气象站。这是一个昂贵的气象站，”戴伊说。他解释说，如果你是根据天气信息降落飞机，你最好有一个坚固的系统提供的可靠数据，而不是机场在亚马逊上买的100美元的传感器。关键是精确、可靠、昂贵的监控系统总是需要的。

“无论是天气还是空气质量，做出的决定都需要高质量的信息。所以，你知道，我们有一个由2000个或更多的参考站组成的网络，由不同的航空机构运营。我们需要这些数据来制定政策，衡量空气质量的变化，看看减排是否有效。”“但我认为这项新技术改变了游戏规则，因为它允许个人、其他团体、研究机构开始安装监测器，以观察更多当地的空气质量问题。”

PurpleAir在其网站上表示，其传感器测量PM的方式和平均数据收集时间是其传感器与监管传感器的两个主要区别。“与常规传感器相比，PurpleAir传感器有两个主要区别，(1)测量颗粒物的方法，(2)收集数据的平均时间。”

“联邦参考传感器通常直接测量PM的质量浓度。这种方法价格昂贵，安装困难，需要专家维护传感器，并以小时为单位报告，”PurpleAir的常见问题解答说。“正因为如此，许多城市的这种传感器数量有限(或者根本没有)，让普通公众拥有自己的传感器是不可行的。”

PM传感器有两个由Plantower制造的激光器，该公司也制造了计数算法。风扇引入空气，这样就可以检查颗粒。

“他们有一种设备，可以测量从粒子中散射出来的光，所以它有一个微小的激光，作为一个光电二极管或光接收器。当粒子穿过它时，就会打断激光发出的光。”“你可以有效地计算或估计中断的数量，这与空气中颗粒的数量成正比。”

带有Arduino代码的ESP8266芯片负责处理这些数据。天线或SD卡用于传输数据。

不断增长的市场
PurpleAir并不是唯一一家生产空气质量传感器的公司。你可以在亚马逊上买一个价格合理的PM传感器来测试空气质量。“在过去的五年里，在改进这些设备方面取得了实质性的进展，使它们更加准确。它正在传播出去。越来越多的人关注这些数据，并将其用于各种各样的事情。”“这不仅仅是两个人的创业。”英特尔和博世参与了空气质量传感器系统的制造。

“而且它只会增加。这并不是随着时间的推移而减少的趋势。”加州的参考站点仅从2016年的不到200个增加到2018年的1500个。“这些(参考网站)数量的巨大增长主要是由于它们的成本。”

图6:加州五家PM2.5传感器供应商的空气污染传感器的增长情况。资料来源:TD环境服务

结论
环境传感器业务，尤其是空气质量传感器，值得关注。“在五年内，我们将在美国看到成千上万的这种设备，甚至可能更多。我认为他们会好得多，”戴说。“我认为我们会看到户外，尤其是室内空气监测仪的出现。记住，我们在室内待了很长时间。有时室内污染比室外更严重。所以，对内在和外在有这种理解是很重要的。”

但他指出，目前还不清楚对这些传感器的需求会有多大。“一些大公司才刚刚开始涉足这一领域。市场有多大，需求有多大，这有点不确定。”