室内空气质量检测设备综述

2017-08-24王奕如倪建云齐垒邱壮壮尹心彤

科技创新与应用 2017年22期

王奕如+倪建云+齐垒+邱壮壮+尹心彤

摘要：由于室内空气污染引发了许多的疾病，人们已经开始迫切地需要设计一款检测空气质量的设备来改善室内空气质量。目前国际和国内的许多研究人员已经开始了室内空气质量检测和评估方面的研究，并且取得了一系列的成果。其中检测技术是通过使用微处理器、各种传感器、无线通信模块和显示器等部件来检测室内空气污染物含量，评估方法是通过建立空气质量评价指标对空气质量进行评估。目前虽然已有把检测技术和评估方法结合起来的空气质量检测设备，但是由于检测技术和评估方法的不完善，室内空气质量检测设备应用的市场相对较小。随着物联网的发展以及人们对室内空气质量的重视，室内空气质量检测设备在不断的改进，同时也在逐渐的改善室内空气质量。

关键词：ZigBee；监测技术；评估方法；空气质量综合评价指标；空气质量检测设备

中图分类号：X831 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0032-03

1 概述

随着我国经济的快速发展，室内装修带来的空气污染物将影响人类的身体健康，室内装修挥发出来的甲醛，苯等有机物将会对人的身体健康造成不同程度的损害。在人的一生中有大约有80%的时间是在室内度过，如果室内有人吸烟空气不流通，那么不吸烟的人也会得肺癌，所以室内空气质量的好坏对人们的健康有着重要的影響[1]。室内空气污染物具有种类复杂、浓度低等特点。当室内空气被污染后早期人们可能出现眼干、嗜睡、记忆力减退等症状[2]。根据统计数据显示，处于室内空气污染中的人口数占全球总人口数量的50%，室内空气污染可以引起呼吸道疾病，慢性肺病和支气管炎等疾病。由于室外和室内环境空气质量污染特别严重使得中国面临着严重的挑战[3～4]，因此人们迫切的想要去改善室内空气质量。

2 室内空气检测技术

室内空气质量检测设备的部件主要分为四类，分别为微处理器、传感器、无线通信模块和LCD液晶显示器。其中微处理器主要使用AT89C52、AT89C51和STM32系列的微处理器。传感器主要使用检测PM2.5、CO、CO2、温湿度空气指标的传感器。无线通信模块主要使用ZigBee、Bluetooth和802.11b等。因为需要观测的值比较多为了更直观地看到所有数据，一般显示器采用12864系列的液晶显示。

2.1 微处理器的选用

随着人们对室内空气污染的日益重视使得各种空气质量检测设备出现。这些空气质量检测设备中有叶勇设计的基于AT89C52单片机的空气质量检测装置[5]和翟晓华设计的基于STM32的空气净化器[6]等，这些微处理器都可以被选用来设计室内空气质量检测设备。

2.2 传感器的选用

由于室内空气成分复杂多变，所以我们在选择传感器时要选择灵敏度高、功耗小、寿命长、稳定性好的传感器。如表1中的传感器型号，许多代表性公司生产的空气质量检测设备中都配备了这些传感器，并且取得了较好的检测结果。

2.3 室内空气质量检测的无线通信技术

由于室内空间狭小，布线十分麻烦且复杂，所以现在一般都采用无线的方式传输，这样既可以节省空间也可以降低人们因布线引发的意外事故使安全性更高。ZigBee、Bluetooth和802.11b都属于最常用的无线通信模块。从表2中可以看出三种无线通信模块的优缺点，以及哪些典型的室内空气检测设备中用到了这些模块。

2.3.1 ZigBee无线模块

ZigBee无线模块的网络拓扑结构有星型结构、树形结构和网状结构[15]。但是在检测室内空气质量时一般都采用星型拓扑结构，这种结构在网络范围较广，节点间互不影响的环境中有较大优势[16]。使用ZigBee来实现室内空气质量检测的有赵伟、韦永斌和王霞、宋越分别设计的室内环境监控系统[17-18]。

2.3.2 Bluetooth模块

Bluetooth技术是一种利用低功率无线电在各种设备间彼此传输数据的技术。它可以用来代替各种传统的传输线[19]。传统的传输线有长度的限制而且接线复杂。使用Bluetooth可以突破传输线的限制。例如陈文科设计的车载空气净化器就使用了Bluetooth技术[20]。

2.3.3 802.11b模块

802.11b技术具有远距离、高复杂度、高功耗、高数据速率、高成本等特点[21]。802.11b在大量数据传输中优势十分突出，但是由于其高功耗、高复杂度等原因，使得802.11b很少用于空气质量检测之间的通讯。

3 空气质量综合指标的评估

由于室内空气污染物种类复杂，且各种污染物在空气中含量不同，所以如果直接给出各种污染物的浓度人们不会直观的感觉到空气是否被污染。因此需要对室内污染空气进行评估，从中得出一个综合性的指标，用来反映室内空气污染情况，从而增加用户体验。目前室内空气质量评价方法主要分为主观评价法、客观评价法和综合评价法三类。

3.1 主观评价法

主观评价法就是人们主观上对空气的满意程度，人越满意则空气质量越高。通过调查研究发现，人们对室内空气质量的满意度主要影响因素是气味感受，其与空气质量状况有一定的关系，因此人们对室内空气质量的满意度是判断室内空气质量优劣的重要指标[22]。当室内的污染物指标满足卫生标准的要求并且人体的生理指标没有显著变化时，室内人员仍然不满意室内空气质量，产生这一状况的原因是室内空气中的各种有机污染物对人体有长期的损害作用从而导致了人们可接受的污染物浓度难以预测[23]，所以室内空气质量应该以主观评价为主。这种方法相比客观评价法来说比较模糊，只能有个大致的指标，不能进行量化计算。

3.2 客观评价法

客观评价法是将检测的温度、相对湿度、PM2.5、CO2和CO等参数的值与室内空气质量标准[24]（如表3）对比来评价室内空气质量。到目前为止国内市场出售的空气质量检测设备仍然使用GB/T 18883-2002。客观评价法是早期用来评估室内空气质量的一种方法，到现在客观评价法包括数学模型评价法和人体模型评价法、计算机模拟三类，其中数学模型评价法又衍生出了模糊综合评价法和灰色综合评价法等方法[25]。

3.2.1 模糊综合评价法

在1999年同济大学的初春玲提出了使用模糊综合评价法来评估空气质量好坏[26]通过使用模糊数学基本理论，建立各级隶属度函数，提出了空气质量模糊评估模型。通过模型计算出的综合评判矩阵可以大致说明空气质量的优良。但是模糊评价法也有缺点，其中权重不好分配，模糊评价方法要建立对每一级别的隶属度函数[27]，计算麻烦，所以还需进一步改进，但是模糊综合评价法给了我们研究室内空气质量的新思路。

3.2.2 灰色评价法

在20世纪80年代邓聚龙教授创造了灰色系统理论。复旦大学陈秋玉使用灰色评价法来评价室内空气质量，通过实测值与室内空气质量评价标准值得出关联矩阵，然后对室内空气污染情况进行评估[28]。这种评价方法相比模糊综合评价法有较好的可读性和可计算性，而且准确度更高，是一种可供选择的方法。

3.3 综合评价法

综合评价法是一种将主观评价与客观评价综合在一起来考虑的一种评价方法。这种方法兼具了两者的优点，是目前被认为最合理的方法。例如集对分析法，这种综合评价法不仅考虑了到人的主观感受又考虑到了实际测量的值与标准值对比的评估方法，是一种比较理想的室内空气质量评估方法[29]。

4 发展趋势

随着物联网的不断发展，未来世界必将是物联网的世界[30]。国内国际市场目前还没有一套从空气质量检测到完成空气净化的完善的自动控制设备。不过如果设计出一套通过ZigBee与无线传感器组合来采集室内空气质量，然后通过物联网将数据传输给空气净化器，空调等设备来净化室内空气，那么人们生活的环境将会得到很大的改善。

5 结束语

随着室内空气污染引发的疾病的发生率不断提高。空气质量监测变得越来越有必要，因此有必要来建立一套完整的自动控制系统来改善人们的室内空气质量。但是我国在这方面还相对落后，我们需要不断努力创新，不断地借鉴前人的成果，来完善我国的空气质量监测系统，推动智能家居不断发展。

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