SafeAir：空气质量和消防安全监测网络

监测空气质量和火灾风险的可持续网络，确保工业和住宅区的实时警报和安全。

SafeAir是一种先进的环境监测系统，旨在提供实时空气质量更新和火灾安全警报。该系统利用强大的DECT NR网状网络进行本地通信，利用LTE进行远程警报，确保对工业和居民区进行全面监控。SafeAir采用太阳能电池板提供可持续动力，并将地理空间跟踪与GNSS相结合，实现高效、可扩展和环保的操作。该系统的模块化设计可以轻松集成未来的智慧城市基础设施和人工智能驱动的分析。

为什么我们需要安全空气?

日益增长的环境问题

空气质量是公共健康和环境保护的重要组成部分。随着城市化和工业化达到历史最高水平，我们呼吸的空气质量正在迅速恶化。世界卫生组织(世卫组织)估计，世界上约91%的人口生活在空气污染水平超过可接受限度的地区。长期暴露于空气污染物中，如颗粒物(PM2.5和PM10)、二氧化氮(NO₂)、二氧化硫(SO₂)和挥发性有机化合物(VOCs)，会导致严重的健康问题，包括呼吸系统疾病、心血管疾病，甚至过早死亡。

火灾事故及其后果

另一方面，火灾危险仍然是对生命和财产的持续威胁。住宅火灾、工业事故和野火每年造成巨大的损失。根据美国国家消防协会(NFPA)的数据，全球每年有数千人死于火灾，财产损失达数十亿美元。许多火灾事件的发生是由于检测延迟或缺乏强大的早期预警系统，强调需要可靠的监测解决方案。

需要高级监控解决方案

有效的监测系统对于应对这些挑战是必不可少的。实时空气质量数据可以实现主动决策，而早期发现火灾隐患可以挽救生命并最大限度地减少损失。传统系统通常缺乏可伸缩性、准确性和集成度，因此需要针对不同环境定制创新的、可伸缩的和技术驱动的解决方案。

总之，随着城市化、工业扩张和气候变化加剧风险，加强空气质量和消防安全监测的重要性再怎么强调也不为过。提供准确实时数据的综合系统对于保障公众健康、保护财产和确保可持续的未来至关重要。

想法

系统框图

随着空气质量恶化带来的风险越来越大，工业、住宅和商业领域与火灾有关的危险越来越多，迫切需要一个可靠、有效的监测系统，可以提供早期预警和可操作的见解。当前的系统通常依赖于孤立的、本地化的解决方案，这些解决方案缺乏可伸缩性、整体数据聚合和跨大范围的实时响应能力。

这个项目背后的想法是创建一个由互联传感节点组成的分布式网络，能够监测大型工业和城市景观中的空气质量参数(如污染物、挥发性有机化合物、气体)，并检测潜在的火灾风险(如烟雾、火焰)。这些节点将通过DECT NR+网状网络进行通信，确保无缝连接和高效数据传输。使用太阳能等可再生能源确保了一个自我维持的系统，最大限度地降低了运营成本和对环境的影响。

该网络将收集和分析传感器数据，为火灾危险和空气质量差提供早期预警，同时为精确的事件定位提供地理标记数据。这使当局、行业和居民能够积极应对，从而减少生命损失、财产损失和健康风险。该系统还旨在支持环境研究和决策的长期数据收集，确保它既具有即时效用，又具有长期价值。

SafeAir项目旨在融合尖端技术、可持续设计和可扩展实施，以解决关键的环境和安全问题，应用范围从智能城市到工业区、住宅区等。

硬件规格和设计叙述

该项目的电力系统旨在确保自我可持续性和可靠性，采用nPM1300 PMIC进行高效电源管理，5V 6W太阳能电池板作为主要能源，10500 mah电池在低太阳能输出时提供不间断备份。该系统还包括一个USB Type-C充电选项，为初始部署或长时间阴天提供了灵活性。太阳能电池板产生足够的电力来运行系统，同时为电池充电，确保连续运行。此外，nPM1300还可以监测电池电量、充电状态和太阳能电池板的健康状况，并将这些数据传输到基站进行实时监控，从而实现主动维护和优化性能。这种设计不仅减少了对外部电源的依赖，而且使系统环保，经济高效，并且在偏远地区长期部署可靠。

SafeAir项目集成了一系列气体和环境传感器，用于监测火灾危险、有毒气体和空气质量，确保实时检测和响应，以增强安全和环境健康。

DFRobot Gravity：模拟气体传感器(MQ2) -检测液化石油气、甲烷和氢气等可燃气体，以识别潜在的火灾危险或气体泄漏，帮助早期预警系统。

5通道火焰传感器模块-通过多通道监测火焰存在或强度，以提高准确性，对于工业或住宅区的火灾危险检测至关重要。

•DFRobot Gravity: PM2.5空气质量传感器-测量空气中的颗粒物，帮助监测影响空气质量和健康的细微污染物。

•DFRobot Gravity：模拟一氧化碳传感器(MQ7) -检测一氧化碳水平，使系统能够识别工业或住宅空间中的有毒气体浓度。

•DFRobot Fermion: MEMS二氧化氮NO₂传感器-跟踪NO₂浓度，以评估空气污染水平并识别有害排放。

•DFRobot Gravity：电化学二氧化硫传感器-监测二氧化硫水平，通常与工业排放相关，以确保符合环境标准。

•DFRobot Fermion: MEMS VOC传感器-检测挥发性有机化合物，提供有害化学物质存在和整体室内空气质量的见解。

•DFRobot Gravity：电化学臭氧O₃传感器——测量臭氧水平，以识别空气质量问题，并在超过安全阈值的地区发出警报。

DFRobot Gravity: I2C SCD41 CO₂传感器-跟踪二氧化碳水平，有助于监测通风效果和空气质量。在配备了SafeAir系统的区域，如果发生火灾危险，例如工业装置中的突然火花导致火焰，5通道火焰传感器将立即检测到火焰的存在，而MQ2传感器将收集附近升高的可燃气体，如甲烷或液化石油气。同时，系统的一氧化碳传感器(MQ7)可能会检测到不完全燃烧引起的一氧化碳峰值，而集成到环境模块中的温度传感器可能会记录到一氧化碳的快速增加。当这些传感器触发警报时，数据被处理并通过LTE发送到基站，包括来自GNSS模块的位置详细信息。这种实时警报使应急响应人员能够迅速采取行动，有可能避免灾难，而网状网络中的局部警报可以通知附近的人员撤离或立即采取预防措施。

对于空气质量监测，考虑部署SafeAir系统的住宅区。PM2.5、CO₂、NO₂、VOC、SO₂、O₃等传感器模块通过模拟、I2C或UART接口连续测量污染物水平，并提供原始数据。这些数据由nRF9151单片机实时处理，根据公认的标准，考虑污染物浓度和环境因素，计算出空气质量指数(AQI)。如果计算出的AQI超过安全阈值，系统将通过LTE连接向基站发送详细报告，包括污染物水平、AQI值和位置坐标(通过GNSS模块)。或者，在本地部署中，利用DECT NR+ mesh功能通知附近的设备或节点空气质量差。

这可以及时通知居民或当局，警告他们采取必要的预防措施，如限制户外暴露。硬件设计确保了即使在偏远地区也能可靠地传输数据，使系统健壮有效地用于环境健康监测。PCB的硬件设计包括一个独特的功能：一个RGB LED系统集成了一个透明的底部外壳和动态颜色边界。RGB led照亮了外壳的边缘，反映了周围地区的空气质量指数(AQI)水平。使用PCBWay先进的彩色印刷设备将醒目的短语“您正在呼吸空气这种颜色”印刷在PCB上，在边界颜色和环境中的空气质量之间提供了直接直观的视觉联系。这种创新的设计增强了用户的交互和意识，同时保持了板的功能和美学吸引力。

本文编译自hackster.io