污染监测：“草根”也能DIY
来源:中国科学报 作者:张章 2015/1/12 15:25:31
当冬天降临蒙古国首都乌兰巴托时，空气变得污浊不堪。作为全球*寒冷的首都，这里的居民利用煤或木材在户外生火，以加热他们并不保温的房屋。烟灰遮蔽了天空，能见度仅有数百米，人们不得不配戴口罩。“白色衣服能在几个小时里变成灰色。”蒙古国报业协会执行会长Munkhmandakh Myagmar说。
世界卫生组织(WHO)数据显示，这座城市是全球污染*严重的城市之一，空气污染颗粒导致的死亡人数占该市死亡总数的1/10。但有关这种污染的范围的信息十分有限且难以找到。WHO在线污染数据库中只有乌兰巴托1年的数据，显示有害颗粒PM10(直径10微米或更小)和PM2.5(直径2.5微米或更小)的浓度。
自己动手监测空气
为了填补信息缺失，该报业协会的记者决定主动出击。通过与地球新闻网(环境记者国际组织)合作，Myagmar及其同事于去年7月将5台设备分置于乌兰巴托，每台设备约有一个儿童的饭盒大小。
这种名为DustDuino的设备能测量微粒物质的浓度，并快速将数据上传到一个公共网站。尽管存在一些充电和连接性等初始问题，但位于城市中心的一个传感器接收的数据显示，PM10的浓度至少是WHO推荐标准的两倍。
DustDuino和其他污染监测器是环境行动新浪潮的一部分。这些设备有的仅花费50美元，并且使用说明在线可用。来自全世界的记者、倡导团体、黑客等开始使用廉价的监测设备极大地扩张空气污染公开数据的数量。这些设备很容易部署，并能补充复杂但分布稀疏的部门设备收集的数据。这种“市民科学”方法旨在提供人们实际居住地的高分辨率空气污染测量数据。目前，还有研究正在开发可穿戴传感器以监测个人暴露水平。
以公开原则为基础，这些自己动手(DIY)的努力是将空气质量检测推向大众的一部分。但该方法的拥护者仍需要说服传统的空气污染研究人员，后者对由未经训练的人员利用便宜传感器收集的数据质量和可用性表示担忧。
尽管如此，人们都同意需要更多资源监测空气污染。数据显示，每年约有700万人死于空气污染。“这已经成为全世界*大的、单一而言*严重的健康风险。”美国得克萨斯大学环境研究员Joshua Apte说。Apte一直关注便宜且多样的新兴污染测量仪所起的作用，并表示：“事实是，你能买50美元低成本的传感器做监控传感器，这是一件很厉害的事。”
监测污染的鸽子
这一行动可以追溯到2006年，当时加州大学欧文分校艺术家Beatriz da Costa在信鸽身上绑上小型监测器。Costa与工程师合作开发出了这种能测量一氧化碳和氮氧化物的仪表组。同时，他们还利用全球定位系统(GPS)接收器追踪了鸽子的行动。之后，她出版了名为“鸽子博客”项目收集的数据，目的在于打破现状，并赋予公众收集污染数据的任务。
差不多同时，针对其他用途的传感器也开始出现。现在，超过2/3的美国成年人表示自己在使用收集心率和其他健康数据的技术，每分钟检测水和电用量的家用小仪器也正在普及。另外，城市也正在使用传感器监测从行人交通到管道泄漏的方方面面。
但直到数年前，草根污染检测还十分**：传统的空气质量传感器十分昂贵或需要经过训练才能使用，而且它们收集的数据通常无法接近或难以处理和分享。但当“制造者”开始将线路板和传感器焊接起来迎接这些挑战时，情况发生了变化。
2011年，一群将自己称为“传感器制造者”的黑客、制造者和设计师齐聚荷兰阿姆斯特丹和美国纽约。他们在博客中写道，政府并没有在能实际影响居民的地方层面监控污染。“传感器制造者”在线发起了呼吁社区研发能测量空气污染的传感器的倡议。通过云募资平台Kickstarter，“传感器制造者”筹集了14.4万美元的经费，开发出空气质量蛋——
一种能测量温度、湿度、二氧化碳和二氧化氮的设备。该传感器成本为185美元，不到一台中档设备价格的1/10。
同时，西班牙也上演着类似的努力。巴塞罗那微观装配实验室主任Tomas Díez Ladera一直梦想着让公民能实时监测自己呼吸的空气，并分享数据以便其他群体能从中获益。在花费了1年时间确定什么技术可用后，Díez Ladera决定和团队自己实现这个梦想。他们早期的技术原型逐渐发展成名为“智能市民工具箱”(SCK)的一系列传感器。该设备能测量空气质量蛋测量的所有内容，外加光强度和噪音。该团队还建立了一个网站，鼓励DIY爱好者设计或购买设备，并检测当地污染。
由于此类开源传感器能在任何地方制造，因此很难统计已经生产了多少台。但据***的数据显示，至少35台DustDuino、约2500台空气质量蛋和1000 台SCK已被部署在全球的许多角落。这些设备产生的数据在Xively等在线平台上面向公众开放。
而这些努力已经吸引了市政府和公民团体的注意。在2014年年初，阿姆斯特丹官员为100位市民提供了SCK和如何在居民区使用这种设备的说明。
数据鸿沟
支持者的热情并没有说服环境研究者。英国伦敦大学国王学院空气质量学家Ben Barratt表示，用于SCK和空气质量蛋的传感器无法提供强有力的污染数据。Barratt帮助运行空气质量网络——污染数据在线资源。
“监控空气污染水平远比廉价传感器的制造者和供应者建议的复杂。”Barratt说。他表示，问题在于温度、湿度和一些气体会歪曲用于SCK和空气质量蛋的传感器得出的结论，使人们难以比较不同设备取得的数据。
西英格兰大学污染政策研究者Tim Chatterton 表示，DIY倡议者还缺乏污染专家的输入。专业技术人员和科学家会密切关注传感器的选址和维护。他说：“如果不关注这些，数据在本质上是无意义的，因为无法比较。”
加州大学伯克利分校环境健康学家Kirk Smith表示，这些问题减少了此类数据的有用性。美国环境保护署(EPA)颁布了严格规定，他说：“这些检测器没有达标。”
另外，Smith补充道，这些数据的流动和储存方式使其难以分析和形象地讲述一个连贯的故事。Smith团队开发了用于室内的微粒物质传感器。“我们从开发自己的智能廉价传感器中学到的一件事是它们在产生一些数据，但并不干净。要得到一些有用的数据*终还需要很多工作。”他说。
基于这些关心，科学数据看守者并不接受大部分DIY传感器产生的数据。例如，Barratt表示不会将市民传感器项目得到的数据纳入伦敦空气质量网，直到数据质量有所提升。
开发出DustDuino的Matthew Soyer则表示，当覆盖一个充裕的时间跨度时，它的数据能比得上更昂贵传感器产生的数据。一个独立研究小组报告称，在取样窗外1小时的空气时，DustDuino使用的传感器和更高成本传感器一样。但Soyer也承认，在瞬时数据收集方面，DustDuino还不够**，因为其测量结果包括太多噪音。
空气质量蛋和SCK的开发人也承认，传感器面临初期的困难，但他们表示自己能够解决。Díez Ladera表示，预计在今年年初将发布新一代SCK，该设备将能预先校准和配置更好的传感器，以便数据足以与部门空气质量标准相比较。
不过，一些研究人员也鼓励市民传感器行动。尽管担忧数据质量，但Barratt仍为伦敦可持续**换等项目提出建议。EPA也开始接受市民监测的概念。EPA旗下国家暴露物研究实验室执行副主任Tim Watkins希望，能探索低成本、**度较低的传感器得出的数据如何补充稀疏分部的**设备存在的空白。“这些新技术可能非常有价值，无论我们是否投资或使用，它都来了。”