基于DGI—AHP的室内空气污染检测和评估系统

杜聪聪 韩鹏飞

摘 要：随着经济的发展，人们对居住环境的要求日渐提高，各种装饰材料被应用于房屋装修当中，这些材料当中蕴含的有毒物质（如甲醛、苯等）会在日常使用中慢慢释放出来，对人体产生危害[1]。现在市面主要的空气监测装置测试对象单一，大多只检测某一气体;输出数据单一，数据的可视化不强。针对室内空气污染的现状，现提出一种搭载多种气体污染的传感器的装置，检测CO，NO，甲醛等污染气体的浓度以及光敏，通风率等室内情况，同时通过传动装置检测不同高度污染浓度，实现了定点、定时和自动化检测的功能。采用灰度判据（DGI）与层次分析法（AHP）联合算法，在调查室内基本属性、污染物浓度后，基于人体个体差异性，以国家标准为参考量纲，给出一个衡量指标。

关键词：室内空气污染  DGI  AHP VB程序设计

中图分类号：TH89    文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（c）-0140-03

室内空气检测是针对室内装饰装修、家具添置引起的环境污染超标情况进行的分析、化验的过程且出具国家权威认可（CMA）具有法律效力的检测报告，根据检测结果值我们可以判断室内各项污染物质的浓度，并进行有针对的防控措施。

中国城市居民占不到总人口的一半，但已有2.7亿以上居民呼吸的空气不达标。一些行动不便的人、老人、婴儿等则可能有高达95%的时间在室内生活。凡是居住在室内空气已被污染的人，他们的身体时刻都受着伤害。一般来说，慢性中毒很难被人们发现，更容易被人们所忽视，当危害、中毒症状转成病变时人体才有一定反应。

由于室内空气污染物的种类复杂，浓度有时又比较低，因此对人体健康的影响是长期和慢性出现的。早期可出现眼干、嗜睡、记忆力减退等;长期暴露可出现嗓子疼痛、急性或慢性咽炎等，长久暴露在被污染的环境中将导致肺部和多器官疾病的产生。

一般家庭业主找当地的相关检测治理公司就可以，但是检测仪器，设备需要跟公家部门统一，这样检测数据才有保障，出具CMA计量认证的报告是一般的公共场所可以用到。

1 系统机械结构设计

1.1 电子鼻传感器云台结构包括四幅叶支架、舵机固定盘、旋转托盘、芯片台架

四幅叶支架（如图1指引1）安放MQ传感器阵列、布置线路及其其他支撑作用;舵机固定盘（如图1指引2）固定四幅叶支架和舵机盘的安装;旋转托盘（如图1指引3）增大舵机输出轴的受力面积;芯片台架（如图1指引4）芯片的支撑安放。

1.2 机架结构包括门型支撑框架、T型传动平台、直线组合丝杠滑台、主传动支撑后座

门型支撑框架（如图2指引6）主要由异型铝型材20 mm×20 mm搭建而成，主要功能：为动力输出装置和传感器模块提供支撑作用形状尺寸如图所示;T型传动平台（如图2指引9）主要安放舵机的位置，在丝杠的推动下，沿铝型材的上表面进行滑动;直线组合丝杠滑台（如图2指引8）直径5mm丝杠，联轴器和直线导轨构成。支撑T型传动平台，限制T型传动平台的直线运动;主传动支撑后座（如图2指引12）主要是提供直流电机和电源模块的支撑。通过正方形与异型铝型材固定连接。

1.3 倾角调节器主要是调节门型支撑框架与水平面的角度

倾角杆，主要作为机架的支撑着力点，由钣金件加工。

制动倒杆盘。当倾角杆角度确定后，由倒杆轴套插入销轴，固定锁死。

2 电子系统

2.1 电子鼻工作流程原理（见图3）

（1）预备过程。确定检测区域和高度后，调节倾角，通过驱动直流电机，将云台运送至预期位置。

（2）云台检测。开启传感器矩阵，舵机旋转，采集多角度的数据。多个位置高度重复检测。

（3）微机信息处理 将采集的数据发回主机数据库，通过软件调用算法，分析出当前室内的空气状况，给出AQI隐患度评分，给出居住建议。

2.2 STMF15单片机简介

STC15F2K60S2系是高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机[3]。该装置主要使用的是STC15F2K60S2的8路高速10位A/D转换接口，作为MQ系列传感器的模拟量的采集输出微处理器。按照10位A/D转换，按照一下公式来计算10-bit A/D Conversion Result：（ADC_RES[7：0]，ADC_RESL[1：0]）=

式子中，Vin为模拟量输入通道输入电压，Vcc为单片机实际工作电压，即以单片机工作电压作为模拟参考电压。

2.3 MQ传感器介绍

MQ-7一氧化碳传感器、MQ-131臭氧传感器和MQ-137氨气传感器均为MQ系列传感器。该小节将介绍3种传感器的性能。

传感器工作原理及其引脚说明。

MQ元件由SnO2敏感层、微型Al2O3陶瓷管、加热器和测量电极组成，采用金属或树脂封装。探测范围：10～1000 ppm。选择性好，在信号采集的同时自动进行温度补偿，并具有灵敏度高，性能稳定等特点。

求出的气体浓度为ppm，换算成国家標准污染物浓度的单位，每标立方米的毫克数表示的浓度值（）。

式中：M为污染物的分子量。RS为气敏元件的电阻，为MQ气体传感器的灵敏度。

3 API室内空气检测算法

该算法以《室内空气质量标准》GB/T18883-2002国家标准作为参考标准，主要选取甲醛、CO、NO和O3作为室内空气的主要的污染，经过传感器测出当前的空气组分浓度后，由软件抓取数据录入，经过算法运算，分别给出时空系数、流动系数、和本体系数的权重分布，给出一个综合性的指标AQI（air quality index）为输出指标，由软件识别后给出用户居住建议。

3.1 层次分析法AHP

室内空气品质的综合评判是一个难以线性化的问题，复杂性在于选取评判因素的数量多少还有评判因素的量化分析上。

AHP的思想是首先通过建立清晰的层次结构来分解复杂问题，其次引入测度理论，通过两两比较，用相对标度将人的判断标量化，并逐层建立判断矩阵[4]。层次分析法运用前需要构造层次模型：决策层，中间层（指标层），底层（选择层）;形成等级层次;然后构造两两对比矩阵，进行一致性检验;最后得到权重向量。

空气环境对人体健康的主观感觉，设定有个等级的划分，在这里我们就采取层次分析法来将感觉用定量的数据来表达。根据专家模式进行判定后，我们可以得出各层级对于上一级的权重比。

对比矩阵的确定采用一定合理性的专家评分，根据0～9的序列，得出外围环境布局因素和人体抵抗因素对应的比较矩阵，输出权重向量（如表1）。关于如何确定aji的值，引用数字1～9及其倒数作为标度。列出了1～9标度的含义。1表示两个因素相比，具有相同的重要性;3表示两个因素相比，前者比后者稍重要;9表示两个因素相比，前者比后者极端重要。以此类推。若因素i与因素j的重要性之比为a_ij，那么因素j与因素i重要性之比为a_ij=1/a_ji。

规定第一、三级的各指标满分分值为10级。为消除之间的单位不同的差别，根据指标在其领域的影响地位，给出其对应的范围评级。

二级层评分                 （1）

其中j，k为底层指标评分等级。

通过调用Matlab程序，输入一、二级层评分比较矩阵，得出各层级关系权重如表2所示。

3.2 灰度预测法原理简介

由于不同化学成分的有害气体对于人体的危害是不同的，同时危害性还受地域性的影响。然而，其中的关系难以量化表示。因此，采用灰度算法挖掘不同化学成分的有害气体的危害权重。

灰色关联分析（Degree of Gray Incidence简称DGI），是灰色系统理论的一个分支，应用灰色关联分析方法对受多种因素影响的事物和现象从整体观念出发进行综合评价是一个被广为接受的方法。

灰色关联分析法的基本思想是根据各比较数列集构成的曲线族与参考数列构成的曲线之间的相似程度来确定比较数列集与参考数列之间的关联度，比较数列越相似，其关联度越大。

利用灰色关联分析进行综合评价的步骤如下。

（1）根据评价指标确定评价母参考体系，收集优质室内主因子数据，确定原始评价矩阵及参考数列。由SPSS因子分析，在这里选取沈阳市的n个指标作为参考数列。

（2）假设由m个对象、n个指标构成的评价问题，表示第i个对象第j个指标的指标值，原始评价矩阵为：

，

根据评价目的及指标情况，设定参考数列为：

（3）利用灰色关联系数公式计算第j个评价指标Yj与最优向量G的关联系数。

（2）

其中，分别为两级极小差和两级极大差，为分辨系数，0<<1，一般取=0.5。

对于不同污染物对于人体健康危害的程度大小衡量，通过当地环保局数据、《统计年鉴》。主要选取沈阳城市2001—2014年度的城市人口、人均GDP、死亡人数、医疗费用支出、甲醛、NO、CO、O3污染物浓度作为数据分析源。采用灰色预测法尽可能得挖掘出不同污染物对于人体健康状况的影响之间的关联度。由此来作为二级指标之中的权重分配，分别为。

3.3 化學气体危害性污染指标

为消除不同气体的量纲带来的差异，计算公式如下：

通过相关资料查得某一气体的安全上限值为，致死量为，则其气体隐患标度计算公式为：

隐患标度。      （3）

最终，根据表所得表AHP权重比、灰度关联度以及式（1）（2）（3），代入空气隐患标度，得出评分值。按照评分等级的不同（见表3），给出居住建议。

4 软件搭建：电子鼻数据平台

通过测试软件与移动云台的实际连接测试和实验，搭建软件系统进行了数据深层次分析，并将应用上述算法给出相应评分。同时，将总工况测量的过程数据和总质量排放结果存贮[2]。在用于向用户展示所测量结果的软件部分，选择了较为简单并且界面美观的VB语言来实现。

首先，整个程序共分为两个大的部分。一个是用于向用户直观展示结果的数据图表部分，这一部分我们通过VB内的Chart控件来实现[7]。这些直方图会分别展示CO，O3，甲醛，光敏和湿度的值。最后是在对于所读取的数据进行算法分析后得出AQI的值，并就该AQI指数，对于用户所在室内环境进行评估，然后给出最终的评估结果。

关于Chart控件：利用系统中提供的IO以及Text函数库对文件进行读取之后，将所测量的结果每个日期为一张表，时间作为主键，将所有污染物的浓度值存入Access数据库。对于每一个时间段内不同时间点污染物的数据，先新建一个ChartArea，每个ChartArea对应一个污染物的浓度随时间变化的图。而每个ChartArea中的一个直方图数据对应一个Series。这个Series对应两个属性，一横坐标对应时间点，一个纵坐标污染物浓度的值。在对图标进行初始化之后，对Series数组进行赋值即可。

5 结语

该算法的特点主要在于：对于难以定量衡量的指标，例如外部局部因素和人体抵抗因素，可以采用层次分析法来比较矩阵。对于不同气体浓度的指标对于二级因素的重要度采用灰度预测挖掘其中的隐含比重。这与一个城市空气污染大数据的特征相联系。对于浓度测定的值，采用隐患标度，用权重比来修正，定量的辨识出空气质量。

该检测装置相比的优势如下：传感模块与传动部分可拆分，传感模块可以单独作为一个平台，作为静态的工作装置，实现对周围空气质量的检测与评估;多种气体检测传感器组合，较为全面地分析空气的有害气体含量;通过串口与计算机通讯，运用分析软件对数据进行处理，解决单片机运算能力不足、功能扩展性不强的短板;记录历史数据，有利于对有害气体含量的变化趋势的预测。对居住民的生活健康提供合理建议。

参考文献

[1] 李文俊.谈室内空气污染与检测[J].企业科技与发展， 2013（359）：31-33.

[2] 郝丽英.多组分气体质量分析平台的检测系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2012：37-38.

[3] 李红梅，王永峰，朱兆青.基于STC15F2K60S2单片机的多点温度检测系统开发[J].福建电脑，2014（9）：19-20.

[4] 左军.层次分析法中判断矩阵的间接给出法[J].系统工程，1988（6）：56-63.