DIY傳感器監(jiān)測身邊的污染

DIY傳感器監(jiān)測身邊的污染

入冬之后，蒙古國首都烏蘭巴托的空氣變得污濁起來。烏蘭巴托是全球最冷的首都，這是的居民用煤或木頭燃起明火，來給保溫性能不良的房子供暖。天空中充斥著煙灰，人們戴上了面罩御制煙霧，在濃厚的煙霧中，幾百米外的建筑物就看不到了。蒙古報業(yè)協(xié)會執(zhí)行會長蒙克曼達克·米亞格馬（Munkhmandakh Myagmar）說：“穿上白衣服，只要幾個小時就變灰了”。

世界衛(wèi)生組織（下文簡稱世衛(wèi)組織）稱，烏蘭巴托是世界上污染最嚴重的地方之一。據(jù)估計，死于空氣中顆粒污染物的人數(shù)占烏蘭巴托死亡總人數(shù)的十分之一。但是，有關污染程度的信息不僅有限而且難以獲得。世衛(wèi) 組織關于污染的在線數(shù)據(jù)庫中，只有烏蘭巴托一年的記錄，其中包括有害顆粒物PM10（直徑小于或等于10微米的顆粒污染物）和PM2.5（直徑小于或等于2.5微米的顆粒污染物）的數(shù)據(jù)。

由于迫切地想要填補污染數(shù)據(jù)上的空白，報業(yè)協(xié)會的記者們親自上陣去收集數(shù)據(jù)。2014年7月，米亞格馬和同事與一個名為地球記者網(wǎng)絡（Earth Joumalism Network）的國際環(huán)境記者團體合作，在烏蘭巴托布設了5個兒童午餐盒大小的監(jiān)測設備。

這種名為DustDuino的設備能夠測量顆粒物的濃度，并且可以快速將數(shù)據(jù)上傳到一個公共網(wǎng)站上。盡管最開始存在充電和網(wǎng)絡連接等問題，位于烏蘭巴托市中心的一個傳感器還是得到了一些初步結果：PM10的濃度常常會躍升到世衛(wèi)組織推薦的上限值的至少兩倍。

DustDuino和其他監(jiān)測污染的傳感器是環(huán)保運動新浪潮的一部分，這些傳感器中，有一些的制作成本只有50美元，并且在網(wǎng)上就能找到制作教程（參見“公眾傳感器”）。在世界各地，記者、游說團體和黑客等都已經(jīng)開始使用低成本的監(jiān)測設備，這能大幅增加可公開獲取的空氣污染數(shù)據(jù)，其中包括顆粒物和有毒氣體等空氣污染成分的信息。這些設備部署簡便，可以為官方監(jiān)測網(wǎng)絡獲得的數(shù)據(jù)提供補充。官方網(wǎng)絡使用的傳感器雖然精密，但分布得太稀疏了。這種“公眾科學”方法旨在以高分辨率監(jiān)測人們實際居住的空氣污染情況。與此同時，監(jiān)測個人的污染物暴露水平的可穿戴傳感器也正在研發(fā)中。

以公開原則為基礎，這種自已動手（DIY）的活動是推動空氣監(jiān)測公眾化的重要因素。這樣一來，空氣監(jiān)測就不再是政府和學術機構的研究者獨占的領域了。不過，這種方式的倡導者還需說服傳統(tǒng)的污染研究者，后者擔心這些由非專業(yè)人士使用廉價傳感器收集來的數(shù)據(jù)，可能存在著質(zhì)量和可用性上的問題。

不過，每個人都同意，應該在空氣污染監(jiān)測方面投入更多的資源。有數(shù)據(jù)顯示，空氣污染每年會導致約700萬人死亡。環(huán)境研究者、得克薩斯大學奧斯汀分校的喬舒亞·阿普特（Joshua Apte）說：“在危害健康的環(huán)境因素中，空氣污染是影響最廣，也最為重要的一個。”他注意到了數(shù)量充足的廉價污染監(jiān)測設備日益增長的作用，并表示：“買一個常規(guī)傳感器的錢能買50個低成本傳感器，這可是非常厲害的。”

傳感器創(chuàng)客

這類活動的起源可以追溯到2006年。當時，美國加利福尼亞大學歐文分校的藝術家貝亞特里斯·達科斯塔（Beatriz daCosta）在家鴿身上綁上了容納多個傳感器的工具包。達科斯塔和工程師合作開發(fā)的這個工具包，可以測量一氧化碳和氮氧化物含量，還能通過一個全球定位系統(tǒng)接收器來追蹤鴿子的運動。她公布了自己通過這個名為 “鴿子博客”（PigeonBlog）的項目收集到的數(shù)據(jù)，旨在打破現(xiàn)狀，號召公眾參與收集污染數(shù)據(jù)。

差不多同時，用于其他領域的傳感器開始涌現(xiàn)出來。如今，在美國有超過三分之二的成年人聲稱會用傳感器記錄自已的心率和其他健康數(shù)據(jù)；家用傳感器可以監(jiān)測每分鐘的用水用電量，城市也可以使用傳感器來追蹤從街道人流量到管道泄漏在內(nèi)的各種信息。

幾年前，普通民眾還幾乎沒什么監(jiān)測污染的辦法：傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量傳感器要么價格高昂，要么需要訓練后才能使用。而且，它們搜集的數(shù)據(jù)通常難以獲得，也很難使用或分享。當那些在自家后院和黑客空間鼓搗的“創(chuàng)客”們?yōu)榱丝朔魬?zhàn)，開始把集成電路板和傳感器焊接在一起后，上述情況開始發(fā)生變化。

2011年，一個由黑客、創(chuàng)客和藝術家組成的小組在荷蘭阿姆斯特丹和美國紐約組織了聚會，他們稱自已為傳感器創(chuàng)客（the Sensemakers）。他們在博客上寫道，政府對污染狀況的監(jiān)測沒有細化到局部范圍，而恰恰是局部污染會影響到人們。傳感器創(chuàng)客在網(wǎng)上發(fā)起了一個倡議，由社區(qū)來開發(fā)傳感器，檢測空氣污染的情況。通過眾籌平臺Kickstarter籌來了超過14.4萬美元后，傳感器創(chuàng)客開發(fā)了可以檢測溫度、濕度、二氧化碳和二氧化氮的設備，名為“空氣質(zhì)量蛋”（Air Quality Egg），售價為185美元，還不到一個中檔設備的價格的十分之一。

差不多同一時期，在西班牙也有人在做類似的事情。加泰羅尼亞高級建筑學院（Institute for Advanced Architecture of Catalona）巴塞羅那微觀裝配實驗室（Fab Lab Barcelona）主任托馬斯·迪亞茲·拉德拉（Tomas Dies Ladera）夢想讓公眾能夠?qū)崟r監(jiān)測自已吸入的空氣的質(zhì)量，并上傳這些數(shù)據(jù)，讓社區(qū)中的其他人收益。在花費了一年時間尋找可用的技術后，迪亞茲·拉德拉決定由自己的團隊親自動手來實現(xiàn)這個夢想。他們的早期雛形最終成長為一個名為“智能公民設備”（Smart Citizen Kit，下文簡稱SCK）的傳感器套裝工具?！翱諝赓|(zhì)量蛋”能檢測的項目，SCK也都可以，除此之外，它還能測量光強度和噪音大小。該團隊建了一個網(wǎng)站以鼓勵喜歡DIY的人們制作或者購買設備來監(jiān)測自己本地的污染狀況。

由于這些開源的傳感器哪都能造，因此很難追蹤目前已經(jīng)造出來的傳感器的數(shù)量。不過，他們的發(fā)明人稱，目前至少有35個DustDuinos、大約2500個空氣質(zhì)量蛋以及1000個SCK被部署在各個地方。這些設備收集到的大部分數(shù)據(jù)都可以通過Xively這樣的在線平臺獲取。

這些行動已經(jīng)引發(fā)了城市官員和公眾組織的注意。在2014年初，阿姆斯特丹的官員給100位市民發(fā)放了SCK，并指導他們?nèi)绾卧谧约旱纳鐓^(qū)使用這些設備。5月，在英國曼徹斯特一家名為“未來一切”（FutureEverything）的創(chuàng)新實驗室組織的社區(qū)活動中，人們在該市市中心周圍架設了一個傳感器網(wǎng)絡。這個活動的目的是展示騎自行車出行之類的行為對空氣質(zhì)量的影響，并借此測驗傳感器數(shù)據(jù)對改善城市居民的生活方式有何作用。

數(shù)據(jù)不可靠？

支持者的熱情目前還沒有打動環(huán)境研究人員。倫敦國王學院（King's College London）的空氣質(zhì)量科學家本·巴勒特（Ben Barratt）稱，目前SCK和空氣質(zhì)量蛋使用的傳感器還無法提供可靠的污染數(shù)據(jù)。巴勒特目前協(xié)助運營倫敦空氣質(zhì)量網(wǎng)絡（London Air Quality Network），這是一個在線上提供污染數(shù)據(jù)的網(wǎng)站。

巴勒特說：“監(jiān)測空氣的污染水平遠比廉價傳感器的生產(chǎn)者和供應商想的復雜”。他表示，問題在于“空氣質(zhì)量蛋”和SCK使用的傳感器的測量結果會受到溫度、濕度和某些氣體的影響，使得人們難以比較不同設備獲得的數(shù)據(jù)。

英國西英格蘭大學的污染政策研究員蒂姆·查特頓（Tim Chatterton）稱，這些DIY嘗試還缺乏來自污染專家的建議。查特頓一直與英國政府合作來監(jiān)測空氣質(zhì)量。他說，專業(yè)技術人員和科學家會密切關注傳感器的選址和維護，“如果對這些事情不給予足夠的重視，那么收集到的數(shù)據(jù)實質(zhì)上是無意義的，因為它們彼此間沒有可比性?！?/p>

加利福尼亞大學伯克利分校的環(huán)境健康研究者柯克·史密斯（Kirk Smith）稱，這些問題使得此類數(shù)據(jù)在環(huán)保宣傳中的實用價值打了折扣。美國環(huán)境保護局（Environmental Protection Agency，下文簡稱EPA）有嚴格的規(guī)則來判定什么樣的數(shù)據(jù)才是經(jīng)得住檢驗的可信數(shù)據(jù)，“而這些監(jiān)測設備沒有達到要求——至少目前沒有”。

史密斯補充說，這些數(shù)據(jù)的傳輸和存儲方式使得它們難以分析，也難以制作成清楚明白的可視化圖表，史密斯的團隊已經(jīng)制作出了用于檢測室內(nèi)顆粒物質(zhì)的傳感器。他說，“我們在自己開發(fā)智能、廉價的傳感器時了解到了一件事情就是，這些傳感器會產(chǎn)生很多數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)還需要進行處理。想從中獲得一些有用的信息還是很多事要做”。

由于存在這些顧慮，科學數(shù)據(jù)庫的管理者目前尚未接受大多數(shù)DIY傳感器收集到的信息。例如巴勒特，他說除非數(shù)據(jù)質(zhì)量得到提升，否則他不會在倫敦空氣質(zhì)量網(wǎng)絡中加入公眾監(jiān)測項目收集的數(shù)據(jù)。

DustDuino的開發(fā)者馬修·施洛爾（Matthew Schroyer）稱，在足夠長的時間間隔內(nèi)取平均值的話，他發(fā)明的設備所收集的數(shù)據(jù)是可以與更昂貴的傳感器相媲美的。一個獨立研究小組報道稱，在長度為一小時的時間窗口內(nèi)對空氣質(zhì)量進行取樣檢測，DustDuino傳感器的表現(xiàn)與高價傳感器一樣好。施洛爾是美國伊利諾伊州香檳市的一位技術研發(fā)人員和通信專家，他承認由于測量結果包含太多“噪音”，DustDuino在瞬時數(shù)據(jù)收集上還不夠準確。

“空氣質(zhì)量蛋”和SCK的開發(fā)者們也承認，傳感器面臨著一些初期問題，不過他們稱自己正在解決這些問題。迪亞茲·拉德拉說，2015年年初發(fā)布的下一代SCK將會事先進行校準，并且配備了更好的傳感器。這些措施會讓收集到的數(shù)據(jù)更加可靠，足以與官方空氣質(zhì)量標準進行比較。

阿普特先前的工作已經(jīng)表明，了解個人周邊空氣的污染水平有多重要。2014年，他乘坐一輛三輪車穿梭在新德里各個繁忙的街道中，車上配備了一個名為DustTrak的中檔傳感器，可以實時反饋污染情況。

阿普特想知道人們的日?；顒訒ξ廴舅皆斐墒裁礃拥挠绊憽l(fā)現(xiàn)污染水平起伏很大。以運輸為例，一輛卡車通過時，噴出的煙霧能使PM2.5的濃度飆升50%。

在各條街道來回奔波時，阿普特發(fā)現(xiàn)有害的超細顆粒的濃度波動范圍更大。這種比PM2.5更小的顆粒都是純粹的碳粒。他說：“我們想在各個城市部署傳感器，構建空氣污染監(jiān)測網(wǎng)絡，但若每個傳感器要1萬美元，這是辦不到的?！?/p>

其他研究人員也參與了公眾監(jiān)測運動。盡管巴勒特對數(shù)據(jù)質(zhì)量表示憂慮，但他還是為倫敦可持續(xù)性交易所（London Sustainability Exchange）這樣的項目提供咨詢，該項目會與各個社區(qū)合作，監(jiān)測城市中的空氣污染情況。

EPA也開始接受公眾監(jiān)測這個理念了。EPA國家暴露研究實驗室 （National Exposure Research Laboratory）執(zhí)行副主任蒂姆·沃特金斯（Tim Watkins）想要了解的是，怎樣利用價格低廉、準確度較差的傳感器收集的數(shù)據(jù)，為分布稀疏的高端設備提供補充。他說：“這類新技術有巨大的潛在價值。無論我們是否投資支持或者使用它，這項技術都將發(fā)展壯大”。

2013年，EPA將一項競賽的冠軍授予了低成本可穿戴傳感器的開發(fā)者，這種傳感器將空氣質(zhì)量測量與健康數(shù)據(jù)集成在了一起。再過幾個月，EPA還將公布另一項獎金為450萬美元的競賽的獲得者，該競賽旨在資助利用低成本傳感器監(jiān)測社區(qū)空氣質(zhì)量的研究。

施洛爾說，由于政府削減預算，昂貴的傳感器網(wǎng)絡的建設也縮水了，而公眾監(jiān)測的發(fā)展壯大可以填補政府網(wǎng)絡的空缺。他預言，有朝一日人們的衣服能檢測自己接觸到的致癌物質(zhì)，手機可以探測到污染物顆粒，無人機會在城市上方盤旋搜尋天然氣泄漏。他說：“整合了傳感器的手機、織物和健康監(jiān)測器，這些都是很有可能出現(xiàn)的。世界各地都有黑客在研究這些技術?！?/p>

(摘自《環(huán)球科技》2015年3月號總第111期）