高度精确且自主的可编程平台，为驾驶员和公众提供空气污染数据服务——波兰案例研究

《Sensors and Actuators A: Physical》：Highly Accurate and Autonomous Programmable Platform for Providing Air Pollution Data Services to Drivers and the Public – Polish Case Study

实时监测氮氧化物污染的HAPADS平台开发及性能验证。该平台集成三种高精度NO?传感器（7E4-NO2-5、SGX-7NO2、MICS-2711 MOS）与BME280环境传感器，通过冗余数据校正算法，在波兰城乡道路行驶5000公里测试中，传感器相关系数达0.9-1.0，RMSE控制在3.3-4.3 μg/m3，验证了其在复杂气候和交通场景下的可靠性。

　　氮氧化物（NO?）是一种广为人知的空气污染物，其浓度通常与城市中的汽车交通密切相关。尽管现有的空气污染监测技术能够提供高精度的数据，但这些系统往往成本高昂、体积庞大，且难以在社区层面进行广泛应用。为了填补这一空白，HAPADS（高精度、自主、可编程平台以提供空气污染数据服务）平台被提出并经过实际测试，旨在为公众和驾驶员提供更加经济、可靠且准确的空气质量数据。

HAPADS平台配备了三种不同的NO?传感器：Semea Tech 7E4-NO2-5电化学传感器、SGX Sensortech SGX-7NO2电化学传感器以及SGX Sensortech MiCS-2714 MOS MEMS NO?传感器，同时还搭载了用于测量环境温度、湿度和气压的BME280综合传感器。这种多传感器配置不仅提高了数据的可靠性，还为通过数学方法提升测量精度提供了可能。通过将多个传感器的数据进行交叉比对，可以有效地识别和消除环境变化对NO?测量的干扰。

电化学传感器，如7E4-NO2-5和SGX-7NO2，通常需要在特定的条件下进行校准。它们的测量原理基于电流与气体浓度之间的关系，通过电压差和电阻值的变化来计算NO?的浓度。这些传感器的灵敏度和基线偏移在数据表中有所说明，例如7E4-NO2-5的灵敏度约为0.5 nA/ppb，而SGX-7NO2的灵敏度约为1.4 nA/ppb。在实际应用中，由于环境因素（如温度、湿度、压力）的变化可能影响传感器的输出，因此必须进行精确的校准和调整。

MICS-2714 MOS MEMS传感器则采用不同的工作原理，其输出与传感器电阻的变化有关。通过测量传感器在合成空气中和实际空气中的电阻值，可以推算出NO?的浓度。这种传感器通常具有较低的灵敏度，但其非线性响应特性使其在检测气体存在或趋势变化方面表现出色。因此，在实际应用中，MICS-2714常用于初步估计气体浓度，而电化学传感器则用于更精确的测量。

为了确保HAPADS平台在各种环境条件下都能提供准确的数据，研究人员在实验室环境中对传感器进行了校准，并在实际道路测试中进行了验证。校准过程涉及使用已知浓度的NO?气体，通过精确的流量控制设备进行测试。实验室测试中，NO?的浓度范围从0.5 ppm到2 ppm，相对湿度设置为20%、50%和80%。测试结果显示，经过五个月的实地运行后，传感器的性能仍然良好，特别是在实验室条件下进行校准后，其相关系数r超过0.8，而均方根误差（RMSE）在3.3-4.3 μg/m3之间。这些结果表明，HAPADS平台能够在恶劣的环境条件下（包括高降雨、降雪、阳光以及广泛的温度和湿度变化）保持较高的测量精度。

在实际驾驶测试中，HAPADS平台被安装在波兰多个主要城市（如克拉科夫、格但斯克、弗罗茨瓦夫、卢布林、雷沙乌、波兹南、洛兹等）以及乡村地区，以收集尽可能全面的环境数据。测试路线总长度约为5000公里，涵盖了高速公路、快速路、国家和区域道路，以及不同气候条件下的城市和乡村环境。通过这些测试，研究人员能够评估传感器在实际应用中的表现，并分析其在不同环境条件下的响应特性。

在实际运行过程中，HAPADS平台表现出良好的稳定性。特别是ST传感器，在经过校准后，其相关系数R2达到0.9-1.0，显示出极高的测量一致性。然而，其他传感器如SGX和MICS在长期运行后也表现出一定的老化现象，因此需要定期校准以确保数据的准确性。校准过程不仅依赖于实验室条件下的测试，还结合了现场数据的实时分析，利用GPS信号和参考站的数据进行自动校正。

为了提高NO?测量的准确性，HAPADS平台采用了一种基于多个传感器数据的校正算法。该算法结合了外部和内部的温度、湿度传感器以及气压传感器的数据，以补偿环境变化对传感器响应的影响。通过将原始数据与参考数据进行比较，并应用乘法和加法校正方法，研究人员能够显著提升测量结果的可靠性。校正后的数据在图表中得到了展示，显示出更高的相关性和更小的误差范围。

此外，HAPADS平台的硬件设计也考虑了环境适应性。平台采用耐用且防风雨的PET-G材料制成，通过3D打印技术构建。其内部模块包括微控制器、电源管理模块、通信模块（如GSM和GPS）以及传感器接口。这些模块共同工作，确保平台能够在复杂的城市环境中持续运行，并将数据上传至云端进行分析。

在实际应用中，HAPADS平台不仅用于科学研究，还具有潜在的社会价值。通过提供实时的NO?浓度数据，这些平台可以用于公众健康监测、环境政策制定以及城市规划。例如，驾驶员可以在行驶过程中通过实时数据了解当前空气污染水平，从而做出更健康的出行决策。此外，平台还可以用于评估低排放区（LEZs）等环保措施的实际效果，为政策制定者提供数据支持。

总体而言，HAPADS平台的开发和测试展示了低成本、高精度、自主运行的空气质量监测系统的潜力。通过结合先进的传感器技术和校正算法，该平台能够在城市和乡村环境中提供可靠的数据，为社区层面的环境研究和空气质量管理提供重要的支持。未来的研究可以进一步优化传感器的性能，探索更高效的校正方法，并扩大平台的应用范围，以更好地服务于公众健康和环境保护的需求。