室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備綜述

王奕如+倪建云+齊壘+邱壯壯+尹心彤

摘 要：由于室內(nèi)空氣污染引發(fā)了許多的疾病，人們已經(jīng)開(kāi)始迫切地需要設(shè)計(jì)一款檢測(cè)空氣質(zhì)量的設(shè)備來(lái)改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)的許多研究人員已經(jīng)開(kāi)始了室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)估方面的研究，并且取得了一系列的成果。其中檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)使用微處理器、各種傳感器、無(wú)線(xiàn)通信模塊和顯示器等部件來(lái)檢測(cè)室內(nèi)空氣污染物含量，評(píng)估方法是通過(guò)建立空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。目前雖然已有把檢測(cè)技術(shù)和評(píng)估方法結(jié)合起來(lái)的空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備，但是由于檢測(cè)技術(shù)和評(píng)估方法的不完善，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用的市場(chǎng)相對(duì)較小。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的重視，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備在不斷的改進(jìn)，同時(shí)也在逐漸的改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：ZigBee；監(jiān)測(cè)技術(shù)；評(píng)估方法；空氣質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)；空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：X831 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）22-0032-03

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，室內(nèi)裝修帶來(lái)的空氣污染物將影響人類(lèi)的身體健康，室內(nèi)裝修揮發(fā)出來(lái)的甲醛，苯等有機(jī)物將會(huì)對(duì)人的身體健康造成不同程度的損害。在人的一生中有大約有80%的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)，如果室內(nèi)有人吸煙空氣不流通，那么不吸煙的人也會(huì)得肺癌，所以室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞對(duì)人們的健康有著重要的影響[1]。室內(nèi)空氣污染物具有種類(lèi)復(fù)雜、濃度低等特點(diǎn)。當(dāng)室內(nèi)空氣被污染后早期人們可能出現(xiàn)眼干、嗜睡、記憶力減退等癥狀[2]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，處于室內(nèi)空氣污染中的人口數(shù)占全球總?cè)丝跀?shù)量的50%，室內(nèi)空氣污染可以引起呼吸道疾病，慢性肺病和支氣管炎等疾病。由于室外和室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量污染特別嚴(yán)重使得中國(guó)面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[3～4]，因此人們迫切的想要去改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。

2 室內(nèi)空氣檢測(cè)技術(shù)

室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備的部件主要分為四類(lèi)，分別為微處理器、傳感器、無(wú)線(xiàn)通信模塊和LCD液晶顯示器。其中微處理器主要使用AT89C52、AT89C51和STM32系列的微處理器。傳感器主要使用檢測(cè)PM2.5、CO、CO2、溫濕度空氣指標(biāo)的傳感器。無(wú)線(xiàn)通信模塊主要使用ZigBee、Bluetooth和802.11b等。因?yàn)樾枰^測(cè)的值比較多為了更直觀地看到所有數(shù)據(jù)，一般顯示器采用12864系列的液晶顯示。

2.1 微處理器的選用

隨著人們對(duì)室內(nèi)空氣污染的日益重視使得各種空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備出現(xiàn)。這些空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備中有葉勇設(shè)計(jì)的基于AT89C52單片機(jī)的空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置[5]和翟曉華設(shè)計(jì)的基于STM32的空氣凈化器[6]等，這些微處理器都可以被選用來(lái)設(shè)計(jì)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備。

2.2 傳感器的選用

由于室內(nèi)空氣成分復(fù)雜多變，所以我們?cè)谶x擇傳感器時(shí)要選擇靈敏度高、功耗小、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好的傳感器。如表1中的傳感器型號(hào)，許多代表性公司生產(chǎn)的空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備中都配備了這些傳感器，并且取得了較好的檢測(cè)結(jié)果。

2.3 室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

由于室內(nèi)空間狹小，布線(xiàn)十分麻煩且復(fù)雜，所以現(xiàn)在一般都采用無(wú)線(xiàn)的方式傳輸，這樣既可以節(jié)省空間也可以降低人們因布線(xiàn)引發(fā)的意外事故使安全性更高。ZigBee、Bluetooth和802.11b都屬于最常用的無(wú)線(xiàn)通信模塊。從表2中可以看出三種無(wú)線(xiàn)通信模塊的優(yōu)缺點(diǎn)，以及哪些典型的室內(nèi)空氣檢測(cè)設(shè)備中用到了這些模塊。

2.3.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊

ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型結(jié)構(gòu)、樹(shù)形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[15]。但是在檢測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量時(shí)一般都采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)范圍較廣，節(jié)點(diǎn)間互不影響的環(huán)境中有較大優(yōu)勢(shì)[16]。使用ZigBee來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)的有趙偉、韋永斌和王霞、宋越分別設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[17-18]。

2.3.2 Bluetooth模塊

Bluetooth技術(shù)是一種利用低功率無(wú)線(xiàn)電在各種設(shè)備間彼此傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)。它可以用來(lái)代替各種傳統(tǒng)的傳輸線(xiàn)[19]。傳統(tǒng)的傳輸線(xiàn)有長(zhǎng)度的限制而且接線(xiàn)復(fù)雜。使用Bluetooth可以突破傳輸線(xiàn)的限制。例如陳文科設(shè)計(jì)的車(chē)載空氣凈化器就使用了Bluetooth技術(shù)[20]。

2.3.3 802.11b模塊

802.11b技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、高復(fù)雜度、高功耗、高數(shù)據(jù)速率、高成本等特點(diǎn)[21]。802.11b在大量數(shù)據(jù)傳輸中優(yōu)勢(shì)十分突出，但是由于其高功耗、高復(fù)雜度等原因，使得802.11b很少用于空氣質(zhì)量檢測(cè)之間的通訊。

3 空氣質(zhì)量綜合指標(biāo)的評(píng)估

由于室內(nèi)空氣污染物種類(lèi)復(fù)雜，且各種污染物在空氣中含量不同，所以如果直接給出各種污染物的濃度人們不會(huì)直觀的感覺(jué)到空氣是否被污染。因此需要對(duì)室內(nèi)污染空氣進(jìn)行評(píng)估，從中得出一個(gè)綜合性的指標(biāo)，用來(lái)反映室內(nèi)空氣污染情況，從而增加用戶(hù)體驗(yàn)。目前室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)方法主要分為主觀評(píng)價(jià)法、客觀評(píng)價(jià)法和綜合評(píng)價(jià)法三類(lèi)。

3.1 主觀評(píng)價(jià)法

主觀評(píng)價(jià)法就是人們主觀上對(duì)空氣的滿(mǎn)意程度，人越滿(mǎn)意則空氣質(zhì)量越高。通過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的滿(mǎn)意度主要影響因素是氣味感受，其與空氣質(zhì)量狀況有一定的關(guān)系，因此人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的滿(mǎn)意度是判斷室內(nèi)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)[22]。當(dāng)室內(nèi)的污染物指標(biāo)滿(mǎn)足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求并且人體的生理指標(biāo)沒(méi)有顯著變化時(shí)，室內(nèi)人員仍然不滿(mǎn)意室內(nèi)空氣質(zhì)量，產(chǎn)生這一狀況的原因是室內(nèi)空氣中的各種有機(jī)污染物對(duì)人體有長(zhǎng)期的損害作用從而導(dǎo)致了人們可接受的污染物濃度難以預(yù)測(cè)[23]，所以室內(nèi)空氣質(zhì)量應(yīng)該以主觀評(píng)價(jià)為主。這種方法相比客觀評(píng)價(jià)法來(lái)說(shuō)比較模糊，只能有個(gè)大致的指標(biāo)，不能進(jìn)行量化計(jì)算。

3.2 客觀評(píng)價(jià)法

客觀評(píng)價(jià)法是將檢測(cè)的溫度、相對(duì)濕度、PM2.5、CO2和CO等參數(shù)的值與室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[24]（如表3）對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量。到目前為止國(guó)內(nèi)市場(chǎng)出售的空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備仍然使用GB/T 18883-2002。客觀評(píng)價(jià)法是早期用來(lái)評(píng)估室內(nèi)空氣質(zhì)量的一種方法，到現(xiàn)在客觀評(píng)價(jià)法包括數(shù)學(xué)模型評(píng)價(jià)法和人體模型評(píng)價(jià)法、計(jì)算機(jī)模擬三類(lèi)，其中數(shù)學(xué)模型評(píng)價(jià)法又衍生出了模糊綜合評(píng)價(jià)法和灰色綜合評(píng)價(jià)法等方法[25]。

3.2.1 模糊綜合評(píng)價(jià)法

在1999年同濟(jì)大學(xué)的初春玲提出了使用模糊綜合評(píng)價(jià)法來(lái)評(píng)估空氣質(zhì)量好壞[26]通過(guò)使用模糊數(shù)學(xué)基本理論，建立各級(jí)隸屬度函數(shù)，提出了空氣質(zhì)量模糊評(píng)估模型。通過(guò)模型計(jì)算出的綜合評(píng)判矩陣可以大致說(shuō)明空氣質(zhì)量的優(yōu)良。但是模糊評(píng)價(jià)法也有缺點(diǎn)，其中權(quán)重不好分配，模糊評(píng)價(jià)方法要建立對(duì)每一級(jí)別的隸屬度函數(shù)[27]，計(jì)算麻煩，所以還需進(jìn)一步改進(jìn)，但是模糊綜合評(píng)價(jià)法給了我們研究室內(nèi)空氣質(zhì)量的新思路。

3.2.2 灰色評(píng)價(jià)法

在20世紀(jì)80年代鄧聚龍教授創(chuàng)造了灰色系統(tǒng)理論。復(fù)旦大學(xué)陳秋玉使用灰色評(píng)價(jià)法來(lái)評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量，通過(guò)實(shí)測(cè)值與室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值得出關(guān)聯(lián)矩陣，然后對(duì)室內(nèi)空氣污染情況進(jìn)行評(píng)估[28]。這種評(píng)價(jià)方法相比模糊綜合評(píng)價(jià)法有較好的可讀性和可計(jì)算性，而且準(zhǔn)確度更高，是一種可供選擇的方法。

3.3 綜合評(píng)價(jià)法

綜合評(píng)價(jià)法是一種將主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)綜合在一起來(lái)考慮的一種評(píng)價(jià)方法。這種方法兼具了兩者的優(yōu)點(diǎn)，是目前被認(rèn)為最合理的方法。例如集對(duì)分析法，這種綜合評(píng)價(jià)法不僅考慮了到人的主觀感受又考慮到了實(shí)際測(cè)量的值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比的評(píng)估方法，是一種比較理想的室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)估方法[29]。

4 發(fā)展趨勢(shì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，未來(lái)世界必將是物聯(lián)網(wǎng)的世界[30]。國(guó)內(nèi)國(guó)際市場(chǎng)目前還沒(méi)有一套從空氣質(zhì)量檢測(cè)到完成空氣凈化的完善的自動(dòng)控制設(shè)備。不過(guò)如果設(shè)計(jì)出一套通過(guò)ZigBee與無(wú)線(xiàn)傳感器組合來(lái)采集室內(nèi)空氣質(zhì)量，然后通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給空氣凈化器，空調(diào)等設(shè)備來(lái)凈化室內(nèi)空氣，那么人們生活的環(huán)境將會(huì)得到很大的改善。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著室內(nèi)空氣污染引發(fā)的疾病的發(fā)生率不斷提高?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)變得越來(lái)越有必要，因此有必要來(lái)建立一套完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)改善人們的室內(nèi)空氣質(zhì)量。但是我國(guó)在這方面還相對(duì)落后，我們需要不斷努力創(chuàng)新，不斷地借鑒前人的成果，來(lái)完善我國(guó)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，推動(dòng)智能家居不斷發(fā)展。

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