Les technologies de capteurs avancées permettent une surveillance personnalisée de la qualité de l'air

Il est tout autour de nous, mais à moins qu'il n'y ait un problème, nous ne nous préoccupons généralement pas de ce qu'il y a dans l'air que nous respirons. Dans les environnements intérieurs et extérieurs, une mauvaise qualité de l'air peut avoir un impact considérable sur notre santé et notre bien-être. Deux indicateurs importants pour la mesure de la pollution atmosphérique sont les petites particules (PM) de 2,5 µm (microns) ou moins (PM2,5) et les composés organiques volatils (COV). Ils sont, par exemple, émis dans les ménages par les cheminées et les bougies lors des processus de combustion. Les objets du quotidien tels que les produits de nettoyage, les meubles ou les textiles peuvent également émettre des COV. Cet article fournit des informations sur les nouvelles technologies de détection des PM2,5 et des COV qui permettent une surveillance personnelle de la qualité de l'air pour améliorer la santé et le bien-être des personnes.

Surveillance personnelle des PM2.5

Nous savons que l'exposition aux particules peut causer de graves problèmes de santé, et l'Organisation mondiale de la santé (OMS) déclare : « En réduisant les niveaux de pollution de l'air, les pays peuvent réduire le fardeau de la maladie d'accident vasculaire cérébral, de maladie cardiaque, de cancer du poumon et de maladies respiratoires chroniques et aiguës, y compris l'asthme." ¹

Bien que les particules se présentent dans une vaste gamme de tailles de particules, le plus grand impact sur la santé humaine provient des particules de la plage des PM2,5 ² . dont le diamètre est inférieur à 2,5 µm. Ces minuscules particules PM2,5 peuvent facilement pénétrer profondément dans les poumons et causer de graves problèmes de santé. Bien que la recherche soit toujours en cours, il existe des preuves que l'exposition aux PM2,5 peut être liée à la sensibilité aux maladies virales, y compris le SRAS-CoV-2, comme discuté dans une étude récente de l'Université Harvard. ³

Les stations officielles de surveillance de la qualité de l'air ne fournissent que des données consolidées ou moyennes pour l'environnement extérieur sans les données correspondantes sur l'air intérieur. Ils ne génèrent pas d'informations personnalisées et mesurent la qualité de l'air uniquement dans leur voisinage immédiat qui est moyennée sur une période de temps, et ils manquent donc d'informations en temps réel pour suivre l'environnement en évolution rapide qui nous entoure et pour surveiller les fluctuations des niveaux locaux de particules.

Un appareil portable de mesure de la qualité de l'air ou un dosimètre pour mesurer la pollution de l'air - par exemple, dans nos smartphones ou appareils portables - pourrait résoudre ce problème. Jusqu'à présent, les capteurs PM2.5 étaient tout simplement trop gros pour les appareils mobiles. Bosch Sensortec a récemment développé une technologie de capteur qui peut désormais faire de la surveillance de l'exposition personnelle à la pollution de l'air une réalité viable.

Avec la nouvelle technologie Bosch PM2.5, il est désormais possible d'intégrer la détection PM2.5 dans des appareils mobiles pour mesurer l'exposition quotidienne d'une personne aux PM. L'utilisateur peut voir des données et des tendances sur les niveaux de pollution locaux auxquels il est exposé. La surveillance de l'exposition personnelle à la pollution de l'air (par exemple, avec le smartphone) permet aux utilisateurs d'obtenir des informations fiables et transparentes, ce qui leur permet de prendre des mesures et de minimiser leur exposition aux PM2,5 conformément aux directives de l'OMS sur la qualité de l'air. ⁴ Cela peut aider à améliorer la santé et le bien-être des gens.

Par exemple, Figure 1 montre une application de démonstration de dosimètre PM2.5 qui a été créée en collaboration avec la société BreezoMeter. L'application Dosimeter calcule l'exposition personnelle quotidienne aux PM en combinant les données PM mesurées localement avec la technologie de capteur Bosch PM 2.5 et les données de pollution atmosphérique BreezoMeter.

Figure 1 :Dosimètre de mesure des particules

Technologie de capteur de particules minuscules

Les capteurs optiques conventionnels de PM s'appuient sur un ventilateur intégré pour aspirer l'air à travers une cellule, où le nombre de particules est enregistré et la concentration par unité de volume est calculée. Le problème avec cette approche est la taille physique d'un tel capteur, généralement de la taille d'une boîte d'allumettes, ce qui le rend peu pratique pour une utilisation dans un appareil portable plat comme un smartphone.

La technologie de capteur PM unique récemment développée par Bosch Sensortec n'a besoin que d'un flux d'air ambiant naturel pour fonctionner. Il est basé sur le principe d'un appareil photo, dans lequel trois lasers de classe 1 sans danger pour les yeux sont intégrés derrière un couvercle en verre, de la même manière que les appareils photo d'un smartphone.

Cette nouvelle approche permet à Bosch Sensortec de développer une solution de détection PM avec des dimensions physiques considérablement plus petites, occupant environ un cinq centième (0,2 %) du volume des autres solutions sur le marché. Cette réduction de la taille d'une tête d'allumette rend cette nouvelle technologie idéale pour la mesure personnelle des PM2,5 dans les appareils grand public. Il a une faible consommation d'énergie, ne nécessite aucun entretien et peut être intégré dans une application étanche.

Détection des COV

Les composés organiques volatils (COV) constituent une autre source de préoccupation en suspension dans l'air, un groupe assez important de gaz chimiquement réactifs pouvant apparaître dans n'importe quelle pièce. Étant donné que les gens passent généralement 90 % de leur vie à l'intérieur, la concentration de COV dans l'air ambiant intérieur peut avoir un impact significatif sur notre bien-être et notre santé.

Un capteur de COV peut détecter une large gamme de gaz à la fois à l'intérieur des bâtiments et à l'extérieur, tels que les composés (hydro-)carbonés (par exemple, l'alcool ou le CO), les composés sulfurés (provoquant des odeurs désagréables, par exemple, H₂ S) et des solvants (par exemple, l'acétone). Ils proviennent par exemple des peintures, des laques ou des détergents. Dans une maison intelligente, les informations sur les COV aident à contrôler plusieurs appareils, comme allumer et éteindre une hotte de cuisine ou démarrer un purificateur d'air. De plus, il peut être utilisé pour générer des alertes; par exemple, en détectant un incendie ou même des aliments avariés dans un réfrigérateur. Les données COV peuvent également être utilisées avec d'autres applications de l'Internet des objets ; par exemple, optimiser la ventilation dans un immeuble de bureaux en fonction de la qualité de l'air.

Figure 2 :Impact des COV et des PM2,5 sur la qualité de l'air

Pour mesurer les COV, Bosch a développé un capteur de gaz compact et performant. Le BME680 est la plus petite solution au monde qui offre une surveillance de la qualité de l'air quatre en un. Il peut mesurer la température ambiante, la pression barométrique, l'humidité relative et les gaz et est logé dans un boîtier 3 × 3 × 0,93 mm ³ paquet. Il fonctionne dans la plage de puissance ultra-basse, jusqu'à moins de 0,1 mA.

Le capteur peut faire la distinction entre l'air frais (c'est-à-dire l'air propre, principalement l'azote, l'oxygène et l'humidité) et l'air vicié avec des polluants supplémentaires. En règle générale, lorsque des personnes sont présentes dans des pièces, l'air expiré est l'une des raisons les plus importantes de la mauvaise qualité de l'air. Connaître la quantité d'air expiré contenue dans l'air ambiant aide à optimiser la ventilation et aide ainsi à prévenir la transmission par voie aérienne d'infections telles que le SRAS-CoV-2. ⁵ Bien que les capteurs de COV ne puissent pas détecter directement les virus, ils contribuent indirectement à la santé et au bien-être des personnes.

Un logiciel intelligent transforme les données collectées par les capteurs en sorties utiles pour les utilisateurs. En combinant les techniques modernes de détection de gaz avec l'intelligence artificielle, différentes conditions ambiantes peuvent désormais être reconnues et classées, ce qui permet de nombreuses nouvelles applications.

Considérons un exemple avancé d'évaluation des risques pour la cartographie du climat forestier et la détection précoce des feux de forêt. Tout d'abord, un réseau de capteurs cartographie l'ensemble de la zone avec une vue en temps réel de toutes les activités environnementales. Deuxièmement, l'apprentissage automatique est utilisé pour créer un modèle mathématique basé sur des données brutes pour classer et prédire différentes situations et évaluer les risques. Et troisièmement, edge AI est utilisé pour adapter le produit final aux conditions spécifiques à la zone de l'utilisateur individuel et pour réduire la consommation d'énergie.

Figure 3 :L'exemple du climat forestier

Une autre application pourrait détecter quand la couche d'un bébé doit être changée. Le matériel du capteur peut mesurer la température, la pression, l'humidité et la présence de gaz - mais les parents ne veulent pas ce niveau de détail; ils ont juste besoin de savoir quand une action est requise. Comme environ 19 % de la population de plus de 20 ans souffre de troubles de l'odorat, cette information « de base » peut les aider à retrouver une certaine qualité de vie. ⁶ Un modèle mathématique, développé avec l'apprentissage automatique, peut être utilisé pour traduire les données brutes du capteur en une simple indication d'état, l'IA affinant le modèle en fonctionnement.

Figure 4 :L'application de la couche

Bosch étend encore la gamme du capteur de gaz pour ajouter de nouvelles fonctionnalités et permettre de nouveaux cas d'utilisation. Les nouvelles technologies de détection de gaz comprendront des logiciels plus sophistiqués et un plus large éventail de capacités de détection de gaz. Par exemple, le capteur de gaz pourrait détecter différentes compositions de gaz - ce qui, comparé aux données de référence, permettrait d'identifier les odeurs (Figure 5 ). Des exemples de cas d'utilisation pourraient être la surveillance de l'état de propreté des espaces publics, la classification de la mauvaise haleine ou la détection d'aliments avariés.

Figure 5 :La détection environnementale détecte différentes compositions de gaz.

Conclusion

En générant des données précises, en temps réel et personnalisées sur la qualité de l'air, ces nouvelles technologies de capteurs changeront la façon dont nous évaluons la qualité de l'air qui nous entoure et nous permettront de réagir en conséquence. Nous allons mieux planifier quand être à l'extérieur pour adapter nos déplacements ou nos activités sportives. Nous allons gérer la qualité de l'air à l'intérieur de nos maisons en contrôlant la ventilation et en évitant la génération de particules. Adapté à plus grande échelle, cela nous aidera également à prendre des décisions éclairées ; par exemple, lorsque vous déménagez dans une nouvelle région ou lorsque vous décidez où partir en vacances. Avec la prise de conscience croissante de garder l'environnement et nous-mêmes en bonne santé, la demande d'applications de qualité de l'air continuera de croître à l'avenir.

Les technologies de détection de la qualité de l'air de Bosch sont suffisamment petites pour être utilisées dans des appareils portables plats tels que les smartphones et suffisamment peu coûteuses pour être adoptées à grande échelle, ce qui offrira des avantages notables à la fois à l'individu et à la société dans son ensemble.

Références

¹ OMS, « Pollution de l'air ambiant (extérieur) », https://www.who.int/news-room/…

² Département de l'environnement, de l'alimentation et des affaires rurales, Santé publique :« Sources et effets des PM2,5 », https://laqm.defra.gov.uk/publ…

³ Université de Harvard, « Lien de la pollution atmosphérique à des taux de mortalité plus élevés des coronavirus », https://www.hsph.harvard.edu/b…

⁴ https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health

⁵ Environnement international :« Transmission aéroportée du SARS-CoV-2 :Le monde devrait faire face à la réalité », 2020, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016041202031254X

⁶ Harvard Medical School : « Smell troubles : Quand votre sens de l'odorat s'égare », 2018, https://www.health.harvard.edu/blog/smell-disorders-when-your-sense-of-smell-goes-astray -2018121215539

>> Cet article a été initialement publié le notre site frère, EEWeb.