密闭环境空气质量监测系统及评价方法研究

李博宸　丁喜波　蔡庆瑶

摘要：针对密闭环境空间狭小，与外界相对不流通，长时间处在这样的环境下会产生恶心、头晕、无力等症状的问题，研制一种能够监测密闭环境空气质量的监测系统具有重要的理论意义和很大的应用价值。采用模块化设计方法设计了密闭环境空气质量监测系统，整个系统由主板和检测模块构成。当被测的密闭环境改变时，只需添加或减少相应的检测模块即可，增加了系统的灵活性和后期维护的方便性，并建立了基于模糊数学的密闭环境空气质量评价模型和评价算法。利用研制的监测系统进行了测量和空气质量评价实验，实验结果表明，采用的空气质量评价算法可以有效地评价环境空气质量，各环境参数测量精度满足相关的标准要求。

关键词：

密闭环境;空气质量评价;监测系统;多参数;模块化

DOI：10.15938/j.jhust.2019.01.010

中图分类号： X932;TP271

文献标志码： A

文章编号： 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

密閉环境是指与大气环境不连通，内部可以看做自成体系的一种封闭环境，矿用救生舱、特定密封车间、潜艇、深水工作船、宇宙飞船等都属于此类环境。密闭环境由于活动范围狭小，人员密集，同时机器废气、人体代谢等产生的废物长时间累积会污染密闭环境，当工作人员一直在这样狭小的密闭环境里操作或是活动时，很可能出现头晕目眩，耳鸣，盗汗，易怒，气短等现象，这将会大大影响工作人员的生活健康，并降低作业效率[1-3]。为保证密闭空间中工作人员的生活质量、提高工作效率，对密闭环境的空气质量提供实时测量并用一定的科学算法对密闭环境的空气质量进行评价是必要且有意义的[4]。

现阶段，一些科研人员对有关的气体（一氧化碳，氧气，硫化氢等）、温湿度等测量理论进行了较为深入的研究，成果较为丰富[5-8]。同时一些科技公司也开发了各种各样的气体检测装置，如温湿度计、一氧化碳报警器、二氧化碳检测仪、氧气检测仪等等[9-11]。这类相关的仪器性能优越，可靠性好，但大都只能检测一种或是几种参数，无法胜任对密闭环境空气质量的监测，对相关的密闭环境质量给出合理的评价就更难以完成。无论国内还是国外对于密闭环境参数的测量绝大多数采用单一分立的方式，很少有集成的系统实现对密闭环境参数测量这方面的研究[12]。

本文开发了一种模块化的实时密闭空气质量监测系统，该系统可对密闭环境主要环境参数进行高精度、高可靠性、实时测量。模块化设计可以使用户针对不同环境的特定污染物增加或减少特定的检测模块，兼顾低成本和多功能需要，并满足差异化应用。

1监测系统构成及工作原理

本密闭环境空气质量监测系统由主板和多个相对独立的检测模块组成。系统总体框图如图1所示。系统的基本测量参数有：氧气、二氧化碳、差压、环境温湿度、有毒气体（一氧化碳、硫化氢）等环境参数，特定环境中可根据情况进行增减检测参数，比如氨气、甲醛等[13]。对密闭环境空气质量进行监测可以为现场的工作人员提供空气质量基本参数直观值，同时通过环境空气质量评价算法给出可信的空气质量评价[14]。

主板用于接收检测模块的数据信号、判断环境参数是否超限、进行环境质量评价等工作，主板还有设定监测参数上限或下限、模块标定、系统参数设置等工作。在检测模块上，气体传感器将检测到的气体数据转化成微弱的模拟信号，经过测量电路进行滤波、放大后送入单片机进行A/D转换，通过数据处理程序转换为环境参数值，之后通过串行接口发送给主板。不同的环境监测系统检测的环境参数有一定不同，为满足多方面需求，检测模块可以灵活的组合配置，以适应不同的密闭环境的监测要求。

2监测系统硬件设计

2 1主板设计

主板的组成如图1所示。主板以PIC16F882单片机做为核心设计，主板单片机需要与检测模块单片机进行通信，采集各模块的当前测量值，

并对采集的各模块数据与各自的报警限比较，判断是否超限。主板单片机还采用本文的空气质量评价算法进行空气质量评价。同时主板还包括电源电路、显示电路、报警电路、红外接收电路等。

2 2检测模块设计

检测模块包括气体传感器、测量电路以及单片机，如图1所示。测量电路将气体传感器的电信号放大为适合单片机处理的电压信号，由单片机进行A/D轉换、数据处理、温度补偿，再通过异步串口发送给主板。本文采用模块化设计方法设计检测模块，各个检测模块间除敏感元件和测量电路不同外，其他部分完全一样，因此各个模块的设计基本思路相同。本文仅介绍一氧化碳检测模块的设计，其它模块不再一一介绍。

2 2 1传感器选型

本文采用CO AF传感器测量一氧化碳，该传感器为电化学式气体传感器[15]。其灵敏度为50.mA，量程为0～2×10 -3 ，采用三引脚封装。工作过程为：一氧化碳气体透过过滤膜与工作电极进行氧化反应，产生与气体浓度成正比的电流信号[16]。

2 2 2测量电路设计

一氧化碳测量放大电路原理图如图2所示。当一氧化碳的浓度每变化1×10 -6 时，工作电极WE的引脚电流变化量小于90.nA，因此对于处理该信号的放大器有着较高的要求。本文采用了CMOS型具有超低偏置电流的跨阻放大器ADA4505-2，其典型的输入偏置电流为0 5.pA，失调电压漂移2 5.μV/℃，输入输出完全轨对轨，因此该运放完全满足此弱信号放大要求。

2 2 3检测模块单片机电路设计

检测模块单片机作为控制中枢，需要对放大后的模拟信号进行数据采集、处理等，计算完成后将得到的测量参数值与主板采用串口进行通讯实现信息传送。电路原理图如图3所示。

3监测系统软件设计

系统软件设计即程序设计是密闭环境空气质量监测系统的灵魂，软件设计关乎到硬件协调工作、采样精度、系统的实时性等。密闭环境空气质量监测系统使用PIC16f882为主控芯片，开发环境为MPLAB X。系统的主程序框图如图4所示。

图4中，（a）为主板程序流程图，（b）为检测模块程序流程图。对于主板上电后进行系统初始化、看门狗喂狗后进行自检，自检主要检测板上各测试点电压正常与否、检测模块哪些存在哪些不存在，如果预先设定好的相关测试点电压错误或是所有检测模块均不存在则显示故障。对于检测模块，上电后进行系统初始化看门狗喂狗后，若有红外按键信号则进行标定，之后为了降低功耗进行待机状态，当主板有请求时，检测模块开始工作，之后将测量结果通过USART将数据传输给主板。

4空气质量评价模型

目前，自然环境的空气污染指数已确立了API标准，室内空气质量评价采用GB/T 18883-2002标准，针对密闭环境的空气质量评价也有了一些评定标准，如表1所示。但目前对于空气质量评价的理论研究还不是很完善。通常做法是对相关的参数进行上下限设定，超限后进行报警，并且对限定范围内进行分级[17]。由于密闭环境的综合复杂性、相关参数的时间连续性，有时仅有一个指标发生变化便可能使整个密闭环境的舒适度有较大的变化[18]。

为此，本文利用模糊数学的理论来评价密闭环境的空气质量。基于模糊数学的密闭环境空气质量评价结构框图如图5所示[19-20]。

图5中， s n 为影响因子，即密闭环境空气质量的决定因素; α n 为权重因子，即为对应影响因子的权重;P为权重集，R为相关度矩阵，Q为密闭环境空气质量评价准则。

密闭环境空气质量的评价算法过程如下：首先，确定相关的影响因子，精准的影响因子定位能够准确地给出密闭环境的空气质量评价，影响因子可以参考表2;其次，由于不同的影响因子对密闭环境的影响程度有所差别，因此需要给出不同影响因子的权重 α m ，权重可以衡量相关的影响因子对密闭环境空气质量影响的大小;再次，根据不同影响因子的特点给出相应的相关函数，该函数用数学的观点量化地反映了该影响因子与密闭环境之间的关系;最后，综合评价准则，利用模糊变换求出相关度值，进而利用该模型完成密闭环境空气质量评价。

相關数学模型如下：

假设密闭环境空气质量的影响因子有 n 个，则其将构成相应的影响因子集合 S={s 1s 2…s n}，与相应影响因子相对应的权重集P={α 1α 2…α n}，为了方便认识密闭环境的空气质量，本文将其分为优秀、良好、中等、较差、极差5个等级，假设 m 级，则评价集Y={y 1y 2…y m}。

由影响因子集合S={s 1s 2…s n}， 根据相关函数，能够构建由S到Y的模糊映射，进而可以得到相关度矩阵R。

R=Y 11 Y 12 …Y 1m

Y 21 Y 22 …Y 2m

Y n1 Y n2 …Y nm （1）

根据 R，S到Y 的模糊映射可求：Q=PR，Q为1×m阶矩阵，是依据本算法得出的空气质量等级。矩阵中每个元素代表了相应等级的比重，取元素值较大的等级作为密闭环境的最终等级。

相关函数的建立如下：

优秀：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）

较差：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）

极差：y i5 =0u i≤e 4

u i-e 4e 5-e 4e 4

1u i≥e 5（6）

式中，i为影响因子集中的相关元素;e i为第i种影响因子的标准值;u i为第i种影响因子的实际测量值。对应的函数曲线图如图6所示。

将实测数据分别带入对应的相关函数，便可以求出各个影响因子对应相关等级的相关度y ij ，于是相关度集合为R i=y i1 ，y i2 ，y i3 ，y i4 ，y i5 ，由此可求出相关度矩阵。

本文采用贡献率的方式来计算影响因子对空气质量的影响程度，并通过式（7）来分配权重，式中n为相应的影响因子数。

P=u i/e i∑n i=1 u i/e i（7）

5系统测试实验及结果分析

室内空气品质分级是室内空气品质评价的依据。我国目前还没有出台有关室内空气品质的标准，本文根据实际应用需要拟定了密闭环境空气质量分级表，如表2所示。

对某个密闭环境进行环境参数监测测得值如表3所示。

根据表2所示，密闭环境部分参数监测值的相关度矩阵为：

R=0 930 07000

000 50 50

0000 390 61

000 60 40

根据式（7）可以计算出表3所示的影响因子权重集为：P=[0 02， 0 1， 0 8， 0 08]，其计算过程如表4所示。

因此对表3所给出的环境参数监测值进行的综合评价结果为：

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]

根据上述结果，表3所示监测值的密闭环境的空气质量等级为 Y 5（即极差）。

6结论

本文研制了一种密闭环境空气质量监测系统，该系统采用模块化方法進行设计，便于进行功能扩展和实现差异化应用。本文进行了密闭环境空气质量的评价研究，建立了一种基于模糊数学理论的评价数学模型，给出了实现该模型的算法。研制的监测系统可以对密闭环境的多种参数进行实时精确测量，实验结果表明该系统及其评价算法可以对密闭环境的空气质量给出恰当的评价。

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