一種小型、廉價(jià)空氣質(zhì)量測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

李響　郭世棟　呂勇

(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京　100192)

一種小型、廉價(jià)空氣質(zhì)量測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

李響郭世棟呂勇

(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京100192)

當(dāng)今社會(huì)隨著人口密集程度的增加,工業(yè)化快速發(fā)展,導(dǎo)致環(huán)境不斷惡化,空氣質(zhì)量日益下降,空氣污染及呼吸狀況不良已經(jīng)成為國(guó)民疾病的主要?dú)⑹种?。?duì)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)已經(jīng)迫在眉睫,本文提出了一種小型、廉價(jià)空氣質(zhì)量測(cè)量裝置的設(shè)計(jì),本系統(tǒng)以單片機(jī)為實(shí)現(xiàn)功能的主要控制中心,外設(shè)空氣微粒檢測(cè)模塊、二氧化碳檢測(cè)模塊、室內(nèi)溫濕度檢測(cè)模塊、時(shí)鐘模塊、顯示單元以及控制電路部分等,實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量的多參數(shù)同時(shí)監(jiān)測(cè)。

空氣質(zhì)量PM 2.5PM 10系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)今社會(huì)隨著人口密集程度的增加，工業(yè)化快速發(fā)展，導(dǎo)致環(huán)境不斷惡化，空氣質(zhì)量日益下降，空氣污染及呼吸狀況不良已經(jīng)成為國(guó)民疾病的主要?dú)⑹种籟1]。人類健康生存的要素之一是時(shí)刻需要呼吸新鮮空氣。

隨著人們對(duì)環(huán)境及健康問題的日益重視，對(duì)室內(nèi)空氣中有害氣體監(jiān)測(cè)的種類也越來(lái)越多。隨著人們生活水平的提高，窗戶密閉性增強(qiáng)，通風(fēng)越來(lái)越少，室內(nèi)空氣質(zhì)量惡劣，人民健康存在巨大隱患。因此，建立高效、低價(jià)的室內(nèi)空氣監(jiān)控系統(tǒng)，具有重要意義。

當(dāng)前，我國(guó)室內(nèi)通風(fēng)的主要設(shè)備為傳統(tǒng)型的排風(fēng)扇和高端的通風(fēng)系統(tǒng)，高端的通風(fēng)系統(tǒng)價(jià)格昂貴，而排風(fēng)扇只有常開和常關(guān)兩種狀態(tài)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能控制，不僅帶來(lái)噪聲污染，而且由于換氣系統(tǒng)一般沒有空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊，因此在室內(nèi)空氣質(zhì)量己經(jīng)良好時(shí)，換氣扇仍然工作造成了能源的浪費(fèi)，而市場(chǎng)上卻缺乏中、低端的可安裝智能通風(fēng)系統(tǒng)。

本文研究擬搭建低價(jià)、高效的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，以期改善辦公、家居環(huán)境。

1　發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展使得測(cè)量裝置的精度越來(lái)越高，促進(jìn)了室內(nèi)環(huán)保監(jiān)測(cè)監(jiān)控儀器向著智能化的方向發(fā)展。新的智能化儀表具有以下特點(diǎn)[4，5]:

(1)操作自動(dòng)化:儀器的整個(gè)測(cè)量過程都用單片機(jī)或微控制器來(lái)控制操作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程的全部自動(dòng)化。

(2)測(cè)量智能化:可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)故障與狀態(tài)檢驗(yàn)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自診斷及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等功能，方便儀器的維護(hù)。

(3)具有數(shù)據(jù)處理功能:可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能，使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來(lái)，有效地提高了儀器的測(cè)量精度。

(4)具有友好的人機(jī)對(duì)話能力:操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量功能。與此同時(shí)，智能儀器還通過顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)告訴操作人員，使儀器的操作更加方便直觀。

(5)具有良好的 可擴(kuò)展性:可以與PC機(jī)和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，完成更復(fù)雜的測(cè)量任務(wù)。

2　小型、廉價(jià)空氣質(zhì)量測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體方案

空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)由于具備智能檢測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量指標(biāo)，自動(dòng)控制排風(fēng)裝置，當(dāng)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)后可以改變排風(fēng)裝置狀態(tài)的作用，節(jié)省了大量的人力看管和物力投入，節(jié)能減排，系統(tǒng)有著很好的應(yīng)用前景，既適用于企事業(yè)單位的辦公場(chǎng)所(賓館、酒店、、寫字樓)，也適用于無(wú)人值守的機(jī)房;由于系統(tǒng)充分考慮到作為家居一部分的美觀性和實(shí)用性，系統(tǒng)也可以應(yīng)用于普通的居民家庭室內(nèi)，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。

本系統(tǒng)以單片機(jī)為實(shí)現(xiàn)功能的主要控制中心，外設(shè)空氣微粒檢測(cè)模塊、二氧化碳檢測(cè)模塊、室內(nèi)溫濕度檢測(cè)模塊、時(shí)鐘模塊、顯示單元以及控制電路部分等。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)將空氣質(zhì)量參數(shù)發(fā)送至微處理器，當(dāng)達(dá)到臨界值后，啟動(dòng)排風(fēng)裝置，同時(shí)，在進(jìn)氣口加裝過濾裝置，防止室外空氣對(duì)室內(nèi)空氣造成二次污染。

2.2本文研究的特色和創(chuàng)新

(1)目前各類測(cè)量系統(tǒng)的研究多是自行開發(fā)電路，本研究采用A rduino平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)，具有以下優(yōu)勢(shì):具有可復(fù)現(xiàn)性，研制成功后，更容易推廣;具有可擴(kuò)展性，A rduino平臺(tái)可以很容易的擴(kuò)展接入溫、濕度傳感器，光線傳感器等其他模塊以同時(shí)測(cè)量其他參數(shù)，可以方便擴(kuò)充有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或與PC機(jī)通訊;使用A rduino平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)的難度降低，推廣后，用戶可根據(jù)需要修改標(biāo)定參數(shù)，擴(kuò)充功能等;由于開發(fā)難度較低，可以帶動(dòng)部分本科生參與，也為開設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)或大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)進(jìn)行了前期探索。

(2)傳統(tǒng)方法為常開或簡(jiǎn)單的繼電特性開關(guān)，本文建立室內(nèi)空氣質(zhì)量分布與擴(kuò)散模型，利用此模型確定換氣系統(tǒng)的規(guī)格與運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

(3)本系統(tǒng)具有更高的性價(jià)比，本課題在實(shí)施過程中會(huì)充分考率產(chǎn)品的實(shí)用性及投產(chǎn)后的性價(jià)比，改變市場(chǎng)上低端市場(chǎng)空白的現(xiàn)狀。

(4)本系統(tǒng)適辦公/家居使用，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)充分考慮辦公/家居或室內(nèi)使用的實(shí)用性，在功能和外觀的設(shè)計(jì)上盡量符合加入人性化的設(shè)計(jì)，同時(shí)降低系統(tǒng)運(yùn)行或排風(fēng)裝置工作時(shí)的噪聲。

3　結(jié)論與展望

本文提出了一種小型、廉價(jià)空氣質(zhì)量測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)以單片機(jī)為實(shí)現(xiàn)功能的主要控制中心，外設(shè)空氣微粒檢測(cè)模塊、二氧化碳檢測(cè)模塊、室內(nèi)溫濕度檢測(cè)模塊、時(shí)鐘模塊、顯示單元以及控制電路部分等，實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量的多參數(shù)同時(shí)監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)具有可復(fù)現(xiàn)性，研制成功后，更容易推廣;具有可擴(kuò)展性，A rduino平臺(tái)可以很容易的擴(kuò)展接入溫、濕度傳感器，光線傳感器等其他模塊以同時(shí)測(cè)量其他參數(shù)，可以方便擴(kuò)充有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或與PC機(jī)通訊。

[1]李先庭,楊建榮,王欣．室內(nèi)空氣質(zhì)量研究現(xiàn)狀與發(fā)展.暖通空調(diào)[J],2000,30(3):36-40．

[2]沈晉明.室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià),暖通空調(diào)[J],1 997,27(4):22-25．

[3]沈士珍.環(huán)境質(zhì)量分析的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,城市環(huán)境與城市生態(tài)[J], 1 996,8(4):42-45．

[4]沈晉明,毛繼傳,孫光前.上海辦公大樓空氣質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)[J].通風(fēng)除塵,1995,1 4(4):14-17．

[5]宋玲,施云波,修德斌,等.基于MSP430的氣體傳感器批量測(cè)試系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù),2009,32(10):77－80．

項(xiàng)目資助:北京市專業(yè)建設(shè)-光信息科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程(PXM 2014_014224_000066),北京信息科技大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目(市級(jí))PXM 2014_014224_000079。

李響,生于1982年,遼寧省阜新人,男,博士,講師,研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)與光譜分析技術(shù)。

呂勇,Email：lvyong@bistu.edu.cn。