密閉環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及評(píng)價(jià)方法研究

李博宸　丁喜波　蔡慶瑤

摘要：針對(duì)密閉環(huán)境空間狹小，與外界相對(duì)不流通，長(zhǎng)時(shí)間處在這樣的環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生惡心、頭暈、無力等癥狀的問題，研制一種能夠監(jiān)測(cè)密閉環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要的理論意義和很大的應(yīng)用價(jià)值。采用模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了密閉環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由主板和檢測(cè)模塊構(gòu)成。當(dāng)被測(cè)的密閉環(huán)境改變時(shí)，只需添加或減少相應(yīng)的檢測(cè)模塊即可，增加了系統(tǒng)的靈活性和后期維護(hù)的方便性，并建立了基于模糊數(shù)學(xué)的密閉環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型和評(píng)價(jià)算法。利用研制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量和空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)算法可以有效地評(píng)價(jià)環(huán)境空氣質(zhì)量，各環(huán)境參數(shù)測(cè)量精度滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：

密閉環(huán)境;空氣質(zhì)量評(píng)價(jià);監(jiān)測(cè)系統(tǒng);多參數(shù);模塊化

DOI：10.15938/j.jhust.2019.01.010

中圖分類號(hào)： X932;TP271

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）01-0060-06

Research on Air Quality Monitoring System and Evaluation

Method in Closed Environment

LI Bo?chen，DING Xi?bo，CAI Qing?yao

（Higher Educational Key Laboratory for Measuring and Control Technology and Instrumentation of Heilongjiang Province，?Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：For closed environment， the characteristic is that the confined space is small and it does not flow with the outside world， producing nausea， dizziness， weakness and other symptoms if one stayed in that environment for long time?For this， developing a monitoring system of air quality in closed environment has theoretical significance and great value?A modular design method is used to design a closed air quality monitoring system， The air quality monitoring system is composed of a main board and detection modules?When the measured closed environment is changed， it is only necessary to add or reduce the corresponding detection module， which increases the flexibility of the system and the convenience of later maintenance， and evaluation algorithm based on fuzzy mathematics is established?The measurement and air quality evaluation experiments are carried out using the developed monitoring system， The results show that the air quality evaluation algorithm can effectively evaluate the environmental air quality， and the measurement accuracy of the environmental parameters can meet the relevant standards

Keywords：closed environment;air quality assessment;monitoring system;multi?parameter;modular

0引言

密閉環(huán)境是指與大氣環(huán)境不連通，內(nèi)部可以看做自成體系的一種封閉環(huán)境，礦用救生艙、特定密封車間、潛艇、深水工作船、宇宙飛船等都屬于此類環(huán)境。密閉環(huán)境由于活動(dòng)范圍狹小，人員密集，同時(shí)機(jī)器廢氣、人體代謝等產(chǎn)生的廢物長(zhǎng)時(shí)間累積會(huì)污染密閉環(huán)境，當(dāng)工作人員一直在這樣狹小的密閉環(huán)境里操作或是活動(dòng)時(shí)，很可能出現(xiàn)頭暈?zāi)垦?，耳鳴，盜汗，易怒，氣短等現(xiàn)象，這將會(huì)大大影響工作人員的生活健康，并降低作業(yè)效率[1-3]。為保證密閉空間中工作人員的生活質(zhì)量、提高工作效率，對(duì)密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量提供實(shí)時(shí)測(cè)量并用一定的科學(xué)算法對(duì)密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)是必要且有意義的[4]。

現(xiàn)階段，一些科研人員對(duì)有關(guān)的氣體（一氧化碳，氧氣，硫化氫等）、溫濕度等測(cè)量理論進(jìn)行了較為深入的研究，成果較為豐富[5-8]。同時(shí)一些科技公司也開發(fā)了各種各樣的氣體檢測(cè)裝置，如溫濕度計(jì)、一氧化碳報(bào)警器、二氧化碳檢測(cè)儀、氧氣檢測(cè)儀等等[9-11]。這類相關(guān)的儀器性能優(yōu)越，可靠性好，但大都只能檢測(cè)一種或是幾種參數(shù)，無法勝任對(duì)密閉環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，對(duì)相關(guān)的密閉環(huán)境質(zhì)量給出合理的評(píng)價(jià)就更難以完成。無論國內(nèi)還是國外對(duì)于密閉環(huán)境參數(shù)的測(cè)量絕大多數(shù)采用單一分立的方式，很少有集成的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)密閉環(huán)境參數(shù)測(cè)量這方面的研究[12]。

本文開發(fā)了一種模塊化的實(shí)時(shí)密閉空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)密閉環(huán)境主要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行高精度、高可靠性、實(shí)時(shí)測(cè)量。模塊化設(shè)計(jì)可以使用戶針對(duì)不同環(huán)境的特定污染物增加或減少特定的檢測(cè)模塊，兼顧低成本和多功能需要，并滿足差異化應(yīng)用。

1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

本密閉環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由主板和多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的檢測(cè)模塊組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)的基本測(cè)量參數(shù)有：氧氣、二氧化碳、差壓、環(huán)境溫濕度、有毒氣體（一氧化碳、硫化氫）等環(huán)境參數(shù)，特定環(huán)境中可根據(jù)情況進(jìn)行增減檢測(cè)參數(shù)，比如氨氣、甲醛等[13]。對(duì)密閉環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以為現(xiàn)場(chǎng)的工作人員提供空氣質(zhì)量基本參數(shù)直觀值，同時(shí)通過環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)算法給出可信的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)[14]。

主板用于接收檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)信號(hào)、判斷環(huán)境參數(shù)是否超限、進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等工作，主板還有設(shè)定監(jiān)測(cè)參數(shù)上限或下限、模塊標(biāo)定、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等工作。在檢測(cè)模塊上，氣體傳感器將檢測(cè)到的氣體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成微弱的模擬信號(hào)，經(jīng)過測(cè)量電路進(jìn)行濾波、放大后送入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過數(shù)據(jù)處理程序轉(zhuǎn)換為環(huán)境參數(shù)值，之后通過串行接口發(fā)送給主板。不同的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)有一定不同，為滿足多方面需求，檢測(cè)模塊可以靈活的組合配置，以適應(yīng)不同的密閉環(huán)境的監(jiān)測(cè)要求。

2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2?1主板設(shè)計(jì)

主板的組成如圖1所示。主板以PIC16F882單片機(jī)做為核心設(shè)計(jì)，主板單片機(jī)需要與檢測(cè)模塊單片機(jī)進(jìn)行通信，采集各模塊的當(dāng)前測(cè)量值，

并對(duì)采集的各模塊數(shù)據(jù)與各自的報(bào)警限比較，判斷是否超限。主板單片機(jī)還采用本文的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)算法進(jìn)行空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)。同時(shí)主板還包括電源電路、顯示電路、報(bào)警電路、紅外接收電路等。

2?2檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

檢測(cè)模塊包括氣體傳感器、測(cè)量電路以及單片機(jī)，如圖1所示。測(cè)量電路將氣體傳感器的電信號(hào)放大為適合單片機(jī)處理的電壓信號(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、溫度補(bǔ)償，再通過異步串口發(fā)送給主板。本文采用模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)檢測(cè)模塊，各個(gè)檢測(cè)模塊間除敏感元件和測(cè)量電路不同外，其他部分完全一樣，因此各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)基本思路相同。本文僅介紹一氧化碳檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)，其它模塊不再一一介紹。

2?2?1傳感器選型

本文采用CO?AF傳感器測(cè)量一氧化碳，該傳感器為電化學(xué)式氣體傳感器[15]。其靈敏度為50.mA，量程為0～2×10?-3?，采用三引腳封裝。工作過程為：一氧化碳?xì)怏w透過過濾膜與工作電極進(jìn)行氧化反應(yīng)，產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電流信號(hào)[16]。

2?2?2測(cè)量電路設(shè)計(jì)

一氧化碳測(cè)量放大電路原理圖如圖2所示。當(dāng)一氧化碳的濃度每變化1×10?-6?時(shí)，工作電極WE的引腳電流變化量小于90.nA，因此對(duì)于處理該信號(hào)的放大器有著較高的要求。本文采用了CMOS型具有超低偏置電流的跨阻放大器ADA4505-2，其典型的輸入偏置電流為0?5.pA，失調(diào)電壓漂移2?5.μV/℃，輸入輸出完全軌對(duì)軌，因此該運(yùn)放完全滿足此弱信號(hào)放大要求。

2?2?3檢測(cè)模塊單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)模塊單片機(jī)作為控制中樞，需要對(duì)放大后的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理等，計(jì)算完成后將得到的測(cè)量參數(shù)值與主板采用串口進(jìn)行通訊實(shí)現(xiàn)信息傳送。電路原理圖如圖3所示。

3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)即程序設(shè)計(jì)是密閉環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈魂，軟件設(shè)計(jì)關(guān)乎到硬件協(xié)調(diào)工作、采樣精度、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性等。密閉環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用PIC16f882為主控芯片，開發(fā)環(huán)境為MPLAB X。系統(tǒng)的主程序框圖如圖4所示。

圖4中，（a）為主板程序流程圖，（b）為檢測(cè)模塊程序流程圖。對(duì)于主板上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化、看門狗喂狗后進(jìn)行自檢，自檢主要檢測(cè)板上各測(cè)試點(diǎn)電壓正常與否、檢測(cè)模塊哪些存在哪些不存在，如果預(yù)先設(shè)定好的相關(guān)測(cè)試點(diǎn)電壓錯(cuò)誤或是所有檢測(cè)模塊均不存在則顯示故障。對(duì)于檢測(cè)模塊，上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化看門狗喂狗后，若有紅外按鍵信號(hào)則進(jìn)行標(biāo)定，之后為了降低功耗進(jìn)行待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)主板有請(qǐng)求時(shí)，檢測(cè)模塊開始工作，之后將測(cè)量結(jié)果通過USART將數(shù)據(jù)傳輸給主板。

4空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

目前，自然環(huán)境的空氣污染指數(shù)已確立了API標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)采用GB/T 18883-2002標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)也有了一些評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。但目前對(duì)于空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的理論研究還不是很完善。通常做法是對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行上下限設(shè)定，超限后進(jìn)行報(bào)警，并且對(duì)限定范圍內(nèi)進(jìn)行分級(jí)[17]。由于密閉環(huán)境的綜合復(fù)雜性、相關(guān)參數(shù)的時(shí)間連續(xù)性，有時(shí)僅有一個(gè)指標(biāo)發(fā)生變化便可能使整個(gè)密閉環(huán)境的舒適度有較大的變化[18]。

為此，本文利用模糊數(shù)學(xué)的理論來評(píng)價(jià)密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量。基于模糊數(shù)學(xué)的密閉環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示[19-20]。

圖5中，?s?n?為影響因子，即密閉環(huán)境空氣質(zhì)量的決定因素;?α?n?為權(quán)重因子，即為對(duì)應(yīng)影響因子的權(quán)重;P為權(quán)重集，R為相關(guān)度矩陣，Q為密閉環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

密閉環(huán)境空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)算法過程如下：首先，確定相關(guān)的影響因子，精準(zhǔn)的影響因子定位能夠準(zhǔn)確地給出密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)，影響因子可以參考表2;其次，由于不同的影響因子對(duì)密閉環(huán)境的影響程度有所差別，因此需要給出不同影響因子的權(quán)重?α?m?，權(quán)重可以衡量相關(guān)的影響因子對(duì)密閉環(huán)境空氣質(zhì)量影響的大小;再次，根據(jù)不同影響因子的特點(diǎn)給出相應(yīng)的相關(guān)函數(shù)，該函數(shù)用數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)量化地反映了該影響因子與密閉環(huán)境之間的關(guān)系;最后，綜合評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，利用模糊變換求出相關(guān)度值，進(jìn)而利用該模型完成密閉環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)。

相關(guān)數(shù)學(xué)模型如下：

假設(shè)密閉環(huán)境空氣質(zhì)量的影響因子有?n?個(gè)，則其將構(gòu)成相應(yīng)的影響因子集合?S={s?1s?2…s?n}，與相應(yīng)影響因子相對(duì)應(yīng)的權(quán)重集P={α?1α?2…α?n}，為了方便認(rèn)識(shí)密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量，本文將其分為優(yōu)秀、良好、中等、較差、極差5個(gè)等級(jí)，假設(shè)?m?級(jí)，則評(píng)價(jià)集Y={y?1y?2…y?m}。

由影響因子集合S={s?1s?2…s?n}，?根據(jù)相關(guān)函數(shù)，能夠構(gòu)建由S到Y(jié)的模糊映射，進(jìn)而可以得到相關(guān)度矩陣R。

R=Y?11?Y?12?…Y?1m

Y?21?Y?22?…Y?2m

Y?n1?Y?n2?…Y?nm?（1）

根據(jù)?R，S到Y(jié)?的模糊映射可求：Q=PR，Q為1×m階矩陣，是依據(jù)本算法得出的空氣質(zhì)量等級(jí)。矩陣中每個(gè)元素代表了相應(yīng)等級(jí)的比重，取元素值較大的等級(jí)作為密閉環(huán)境的最終等級(jí)。

相關(guān)函數(shù)的建立如下：

優(yōu)秀：y?i1?=1u?i≤e?1

e?2-u?ie?2-e?1e?1

0u?i≥e?2（2）

良好：y?i2?=0u?i≤e?1

u?i-e?1e?2-e?1e?1

e?3-u?ie?3-e?2e?2≤u?i

0u?i≥e?3（3）

中：y?i3?=0u?i≤e?2

u?i-e?2e?3-e?2e?2

e?4-u?ie?4-e?3e?3≤u?i

0u?i≥e?4（4）

較差：y?i4?=0u?i≤e?3

u?i-e?3e?4-e?3e?3

e?5-u?ie?5-e?4e?4≤u?i

0u?i≥e?5（5）

極差：y?i5?=0u?i≤e?4

u?i-e?4e?5-e?4e?4

1u?i≥e?5（6）

式中，i為影響因子集中的相關(guān)元素;e?i為第i種影響因子的標(biāo)準(zhǔn)值;u?i為第i種影響因子的實(shí)際測(cè)量值。對(duì)應(yīng)的函數(shù)曲線圖如圖6所示。

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別帶入對(duì)應(yīng)的相關(guān)函數(shù)，便可以求出各個(gè)影響因子對(duì)應(yīng)相關(guān)等級(jí)的相關(guān)度y?ij?，于是相關(guān)度集合為R?i=y?i1?，y?i2?，y?i3?，y?i4?，y?i5?，由此可求出相關(guān)度矩陣。

本文采用貢獻(xiàn)率的方式來計(jì)算影響因子對(duì)空氣質(zhì)量的影響程度，并通過式（7）來分配權(quán)重，式中n為相應(yīng)的影響因子數(shù)。

P=u?i/e?i∑n?i=1?u?i/e?i（7）

5系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

室內(nèi)空氣品質(zhì)分級(jí)是室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)的依據(jù)。我國目前還沒有出臺(tái)有關(guān)室內(nèi)空氣品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要擬定了密閉環(huán)境空氣質(zhì)量分級(jí)表，如表2所示。

對(duì)某個(gè)密閉環(huán)境進(jìn)行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)測(cè)得值如表3所示。

根據(jù)表2所示，密閉環(huán)境部分參數(shù)監(jiān)測(cè)值的相關(guān)度矩陣為：

R=0?930?07000

000?50?50

0000?390?61

000?60?40

根據(jù)式（7）可以計(jì)算出表3所示的影響因子權(quán)重集為：P=[0?02， 0?1， 0?8， 0?08]，其計(jì)算過程如表4所示。

因此對(duì)表3所給出的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為：

Q=P·R=[0?02， 0?1， 0?8， 0?08]×

0?930?07000

000?50?50

0000?390?61

000?60?40=

[0?0186， 0?0014， 0?098， 0?394， 0?488]

根據(jù)上述結(jié)果，表3所示監(jiān)測(cè)值的密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量等級(jí)為?Y?5（即極差）。

6結(jié)論

本文研制了一種密閉環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，便于進(jìn)行功能擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)差異化應(yīng)用。本文進(jìn)行了密閉環(huán)境空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)研究，建立了一種基于模糊數(shù)學(xué)理論的評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，給出了實(shí)現(xiàn)該模型的算法。研制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)密閉環(huán)境的多種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)及其評(píng)價(jià)算法可以對(duì)密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量給出恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)。

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