一種便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測設備的研制

李盼盼，周靖博，王 軍，劉兆強

（戰(zhàn)略支援部隊興城特勤療養(yǎng)中心，遼寧興城 125105）

0 引言

特勤療養(yǎng)是以空勤、海勤、涉核等特勤人員為保障對象的特殊類型的療養(yǎng)，對療養(yǎng)環(huán)境有很高的要求[1]。療養(yǎng)環(huán)境是指療養(yǎng)員在療養(yǎng)過程中所處的自然環(huán)境，包括紫外線強度、氧氣體積分數(shù)、負離子濃度、溫度、濕度等環(huán)境因子。特勤療養(yǎng)重點研究環(huán)境因子連續(xù)作用對阻斷有害因子的作用機制[2]，但療養(yǎng)機構(gòu)各種環(huán)境因子的含量具體為多少，一直缺少確切、翔實的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)獲取環(huán)境數(shù)據(jù)的方法有2種，一種是每天從當?shù)貧庀笈_獲取，但是存在一些明顯的缺點：（1）氣象臺提供的數(shù)據(jù)有限，無法提供負氧離子含量、光照度等數(shù)據(jù)；（2）氣象臺提供的數(shù)據(jù)是一個大區(qū)域的環(huán)境均值，而療養(yǎng)機構(gòu)一般建址于海邊或是山區(qū)等遠離市區(qū)的地方，因此氣象臺提供的環(huán)境數(shù)據(jù)相對于療養(yǎng)機構(gòu)的地理位置來說不準確，而療養(yǎng)員的療養(yǎng)活動必須根據(jù)療養(yǎng)場地的微環(huán)境來決定。第二種方法是直接購買監(jiān)測設備，但市面上現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測設備一般只能提供單種環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測，無法同時對多種環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)測?；谏鲜鲈?，我中心以特勤人員健康需求為牽引，緊緊圍繞特勤療養(yǎng)工作實際，于2017年研發(fā)了一套固定式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測設備，該設備功能全面，集12種環(huán)境因子的監(jiān)測于一體，解決了特勤療養(yǎng)活動缺乏翔實數(shù)據(jù)支撐的問題，但該設備沉重（質(zhì)量＞1000 kg）、造價昂貴，只適合固定場地的環(huán)境監(jiān)測，不適合大規(guī)模裝備且不能夠?qū)μ厍谌藛T外出景觀療養(yǎng)時進行伴隨保障。為解決上述問題，我中心在原有固定式環(huán)境監(jiān)測設備的技術(shù)基礎上研發(fā)了一種便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測設備。

1 設計原理

本研究采用單片機控制不同傳感器模塊來實現(xiàn)多種環(huán)境因子的檢測功能[3]。設備以自行設計的主電路板為核心，主電路板一側(cè)包括控制模塊（Arduino平臺、Mega2560開發(fā)板）接口，另一側(cè)包括顯示模塊接口、供電模塊接口、風扇組接口以及各環(huán)境因子檢測模塊的電源及通信接口等（如圖1所示）。利用主電路板上的對應接口，將本設備所需的不同模塊整合為一體：供電模塊由鋰電池組和電壓轉(zhuǎn)換模塊組成，用于給控制模塊、顯示模塊、風扇組和各環(huán)境因子檢測模塊供電，各環(huán)境因子檢測模塊負責檢測數(shù)據(jù)并發(fā)送至控制模塊，控制模塊對收到的信息進行分析計算，將結(jié)果呈現(xiàn)在顯示模塊。通過對主電路板上接口的調(diào)整，能夠便捷地進行不同傳感器模塊的更換、升級，便于維護及功能拓展。

圖1 便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測設備組成框圖

2 結(jié)構(gòu)設計

2.1 整體結(jié)構(gòu)設計

設備采用高強度鋁合金作為機身材料，具有輕便、強度高、抗氧化能力和耐腐蝕能力強的特點，顯示屏用特種專用防護玻璃覆蓋?？紤]到設備的移動使用屬性，采用嵌入式低功耗設計方案，將整機功率控制在10 W左右，并采用12 V大容量（25 Ah）鋰電池組供電，能連續(xù)工作23 h。設備尺寸為105 mm×267 mm×220 mm（長×寬×高），質(zhì)量為 7．8 kg，小巧輕便，便于攜帶和使用。

2.2 外部結(jié)構(gòu)設計

設備殼體由蓋板、橫梁、把手及地腳組成，整個電路系統(tǒng)經(jīng)合理優(yōu)化后置于殼體內(nèi)，殼體外側(cè)設置相應的孔位，用于安裝開關、按鈕、顯示屏等，以便人員操作及數(shù)據(jù)顯示。殼體采用雙殼體設計，外殼體和內(nèi)殼體相配合，形成2個腔體，提高了機箱整體的防水效果（防水等級為IPX1）。設備包括上、下、左、右、前、后6個面板，不同位置的面板提供了不同的功能。該設備外觀時尚、功能實用、便攜可靠、抗震防水，實物圖如圖2所示。

圖2 便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測設備實物圖

2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計

該設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，主控電路板一側(cè)為Mega2560開發(fā)板，另一側(cè)為各環(huán)境因子檢測模塊，為防止Mega2560開發(fā)板與后面板接觸短路，在后面板內(nèi)側(cè)加裝了一層橡膠絕緣墊片。前面板和右面板分別設置一組風扇，用于設備內(nèi)部換氣，其中進氣風扇位于前面板，排氣風扇位于右面板。內(nèi)部右側(cè)為鋰電池組，具有剩余電量顯示功能。上面板中央有環(huán)境因子顯示屏。

圖3 便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 操作面板結(jié)構(gòu)設計

該設備操作面板即為前面板，包括直流電充電孔、電源開關、重置按鈕、參數(shù)顯示屏、電量顯示屏、調(diào)零按鈕、量程設定按鈕、風扇開關、進氣風扇等。直流電充電孔的孔徑為3．5 mm，內(nèi)針芯粗1．1 mm，所屬的直流電底座與鋰電池組直接相連；電源開關選用直徑16 mm的金屬按鈕，帶燈環(huán)；重置按鈕用于設備系統(tǒng)錯誤時恢復默認設置；參數(shù)顯示屏選用2．42 in（1 in=25．4 mm）OLED 屏幕，用于顯示監(jiān)測持續(xù)時間及監(jiān)測次數(shù)等參數(shù)；電量顯示屏采用5位LED燈分色顯示；調(diào)零按鈕、量程設定按鈕用于控制負氧離子檢測模塊；風扇開關選用鈕子開關，用于控制風扇組的閉合；進氣風扇選用直徑5 cm、5 V靜音風扇，可吸入空氣到儀器內(nèi)部。

3 功能實現(xiàn)

該便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測設備質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)置電池、便于攜帶，且儀器內(nèi)置外接電源接口，可外接交流電源實現(xiàn)長時間連續(xù)檢測，測量范圍廣，能夠同時檢測空氣中的負氧離子、PM2．5、PM10、O2、CO、CO2、SO2，以及溫度、濕度、氣壓、紫外線強度、光照度共計12種環(huán)境因子。其中，負氧離子、O2、溫度、濕度、氣壓、紫外線強度、光照度為療養(yǎng)因子指標，對療養(yǎng)員的日常保健具有重要意義；PM2．5、PM10、CO、CO2、SO2為異常環(huán)境監(jiān)測指標，用于對療養(yǎng)環(huán)境進行異常監(jiān)測和預警。該設備主要選用Arduino平臺進行開發(fā)，采用Mega2560開發(fā)板、HD50-I2C以及10種不同類型的傳感器模塊，現(xiàn)對主要模塊介紹如下。

（1）控制模塊。

選用Arduino平臺的Mega2560開發(fā)板，其適合需要大量輸入輸出接口的設計。Mega2560開發(fā)板的核心處理器是ATmega2560，其具有54路數(shù)字輸入輸出接口、15路模擬輸入接口、4路通用異步收發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）接口、1個16 MHz晶體振蕩器、1個USB接口、1個電源插座、1個程序下載接口和1個復位按鈕[4]。

目前，市場對零部件尤其是汽車零部件的加工精度要求越來越高，而汽車制造企業(yè)及零部件供應商又面臨著巨大的成本壓力，這無疑是一個挑戰(zhàn)；同時，汽車制造業(yè)的自動化、智能化發(fā)展已經(jīng)成為了趨勢，如何利用先進的自動化設備提高自身的生產(chǎn)效率，降低綜合成本，提升整體競爭力是每個企業(yè)都必須考慮的要素。埃馬克的此次展會上，無論是配備高性能焊接工藝和自動換裝工件夾緊技術(shù)、可靈活批量加工各種不同工件的ELC?160激光焊接機，還是利用感應淬火技術(shù)實現(xiàn)低成本、高效率、高精度加工效果的MIND-M?1000感應淬火機床，無一不展示出了埃馬克的自動化加工理念。

（2）顯示模塊。

選用HD50-I2C顯示模塊，該模塊支持Arduino平臺，采用5 V供電，擁有1塊5 in的薄膜場效應晶體管（thin film transistor，TFT）液晶顯示屏。該模塊自帶64 MiB的內(nèi)存，能存儲BMP格式的圖片文件，通過集成電路總線（inter-integrated circuit，IIC）接口與單片機連接[5]，實現(xiàn)彩色圖形信息顯示。

（3）負氧離子檢測模塊。

選用KEC-990傳感器，工作電壓為9 V，其核心傳感器采用最新鍍金工藝生產(chǎn)的高靈敏的極化平行電板，大幅提高了對大氣中的游離態(tài)離子收集率，克服了同類產(chǎn)品存在的離子收集率不高、檢測數(shù)值飄移不穩(wěn)的缺點。

（4）顆粒物檢測模塊。

選用PMSX003傳感器，工作電壓為5 V，采用激光散射原理，可以用于獲得單位體積內(nèi)空氣中PM2．5和PM10的個數(shù)及質(zhì)量，即顆粒物濃度，并以數(shù)字接口形式輸出。

選用KE-50傳感器，該型傳感器采用電化學反應原理，無需外部電源，將氧氣體積分數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓值輸出，幾乎不受CO2、CO等氣體的影響，測量范圍為 0～100%，精度為±1%[6]。

（6）二氧化碳檢測模塊。

選用MG811傳感器，工作電壓為6 V，帶溫度補償輸出，具有快速的響應恢復特性，穩(wěn)定可靠，測量范圍為 0～10000 ppm（1 ppm=1×10-6）[7]。

（7）溫、濕度檢測模塊。

選用AM2302傳感器，工作電壓為5 V，包括1個電容式感濕元件和1個高精度測溫元件，具有響應超快、抗干擾能力強、性價比高的優(yōu)點，溫度的測量范圍為-40～80℃、精度為±0．5℃；相對濕度的測量范圍為20%～90%、精度為±2%。

（8）紫外線強度檢測模塊。

選用 UVM-30，工作電壓為 3．3 V，精度為±1 UV index，響應的紫外線波長范圍為200～370 nm。UVM-30是一種專為需要高可靠性和精確性測量紫外線指數(shù)的場合所設計的傳感器[8]。

4 應用效果

該設備從2018年1月開始研制，經(jīng)過技術(shù)路線設計、電子器件選型、電路設計及加工、設備外觀設計、結(jié)構(gòu)設計、器件安裝、整機調(diào)試等階段后，于2019年3月研制成功并在我中心正式投入運行。

與市面上現(xiàn)有的便攜式環(huán)境因子監(jiān)測設備相比，該設備大大地拓寬了環(huán)境因子檢測的種類，能夠同時對負氧離子、PM2．5、PM10、O2、CO、CO2、SO2、溫度、濕度、氣壓、紫外線強度、光照度共計12種環(huán)境因子進行檢測，且測量結(jié)果精確。經(jīng)過測試驗證，該設備的測量誤差在合理范圍內(nèi)，其中負氧離子的測量誤差低于 15%，PM2．5、PM10的誤差低于 10%，相對濕度、光照度的測量精度能達到±0．5%，溫度、紫外線強度、氣壓的測量精度分別為±0．5 ℃、±1 UV index、±1 hPa，O2、CO、CO2、SO2的測量誤差均低于 3%。

與我中心之前研制的固定式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測設備相比，該設備雖然減少了對風速、風向以及火焰的監(jiān)測，但是卻解決了固定式設備的體積大、質(zhì)量重、生產(chǎn)成本高的缺點，其中體積縮小了約97%，質(zhì)量降低了約99．5%，生產(chǎn)成本只有固定式的20%。

該設備運行一年半以來，安全、穩(wěn)定，累計保障療養(yǎng)員超過200個批次，為我中心的特勤療養(yǎng)工作提供了很大的便利。

5 結(jié)語

便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測設備功能全面、輕巧便捷，完全符合特勤療養(yǎng)的環(huán)境監(jiān)測實際需求，進一步拓寬了特勤人員療養(yǎng)環(huán)境的監(jiān)測范圍，提高了療養(yǎng)效果和我中心在療養(yǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)方面的科學管理水平，加速了特勤療養(yǎng)事業(yè)的發(fā)展，對我軍特勤療養(yǎng)具有重要的意義。但該設備在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方面也存在缺點，檢測數(shù)據(jù)只能夠顯示在屏幕上，不能夠保存和讀取，在下一版設備的改進過程中應考慮上述不足。