一种便携式特勤人员疗养环境监测设备的研制

李盼盼，周靖博，王 军，刘兆强

（战略支援部队兴城特勤疗养中心，辽宁兴城 125105）

0 引言

特勤疗养是以空勤、海勤、涉核等特勤人员为保障对象的特殊类型的疗养，对疗养环境有很高的要求[1]。疗养环境是指疗养员在疗养过程中所处的自然环境，包括紫外线强度、氧气体积分数、负离子浓度、温度、湿度等环境因子。特勤疗养重点研究环境因子连续作用对阻断有害因子的作用机制[2]，但疗养机构各种环境因子的含量具体为多少，一直缺少确切、翔实的数据。传统获取环境数据的方法有2种，一种是每天从当地气象台获取，但是存在一些明显的缺点：（1）气象台提供的数据有限，无法提供负氧离子含量、光照度等数据；（2）气象台提供的数据是一个大区域的环境均值，而疗养机构一般建址于海边或是山区等远离市区的地方，因此气象台提供的环境数据相对于疗养机构的地理位置来说不准确，而疗养员的疗养活动必须根据疗养场地的微环境来决定。第二种方法是直接购买监测设备，但市面上现有的环境监测设备一般只能提供单种环境数据的监测，无法同时对多种环境数据进行监测。基于上述原因，我中心以特勤人员健康需求为牵引，紧紧围绕特勤疗养工作实际，于2017年研发了一套固定式特勤人员疗养环境监测设备，该设备功能全面，集12种环境因子的监测于一体，解决了特勤疗养活动缺乏翔实数据支撑的问题，但该设备沉重（质量＞1000 kg）、造价昂贵，只适合固定场地的环境监测，不适合大规模装备且不能够对特勤人员外出景观疗养时进行伴随保障。为解决上述问题，我中心在原有固定式环境监测设备的技术基础上研发了一种便携式特勤人员疗养环境监测设备。

1 设计原理

本研究采用单片机控制不同传感器模块来实现多种环境因子的检测功能[3]。设备以自行设计的主电路板为核心，主电路板一侧包括控制模块（Arduino平台、Mega2560开发板）接口，另一侧包括显示模块接口、供电模块接口、风扇组接口以及各环境因子检测模块的电源及通信接口等（如图1所示）。利用主电路板上的对应接口，将本设备所需的不同模块整合为一体：供电模块由锂电池组和电压转换模块组成，用于给控制模块、显示模块、风扇组和各环境因子检测模块供电，各环境因子检测模块负责检测数据并发送至控制模块，控制模块对收到的信息进行分析计算，将结果呈现在显示模块。通过对主电路板上接口的调整，能够便捷地进行不同传感器模块的更换、升级，便于维护及功能拓展。

图1 便携式特勤人员疗养环境监测设备组成框图

2 结构设计

2.1 整体结构设计

设备采用高强度铝合金作为机身材料，具有轻便、强度高、抗氧化能力和耐腐蚀能力强的特点，显示屏用特种专用防护玻璃覆盖。考虑到设备的移动使用属性，采用嵌入式低功耗设计方案，将整机功率控制在10 W左右，并采用12 V大容量（25 Ah）锂电池组供电，能连续工作23 h。设备尺寸为105 mm×267 mm×220 mm（长×宽×高），质量为 7．8 kg，小巧轻便，便于携带和使用。

2.2 外部结构设计

设备壳体由盖板、横梁、把手及地脚组成，整个电路系统经合理优化后置于壳体内，壳体外侧设置相应的孔位，用于安装开关、按钮、显示屏等，以便人员操作及数据显示。壳体采用双壳体设计，外壳体和内壳体相配合，形成2个腔体，提高了机箱整体的防水效果（防水等级为IPX1）。设备包括上、下、左、右、前、后6个面板，不同位置的面板提供了不同的功能。该设备外观时尚、功能实用、便携可靠、抗震防水，实物图如图2所示。

图2 便携式特勤人员疗养环境监测设备实物图

2.3 内部结构设计

该设备的内部结构如图3所示，主控电路板一侧为Mega2560开发板，另一侧为各环境因子检测模块，为防止Mega2560开发板与后面板接触短路，在后面板内侧加装了一层橡胶绝缘垫片。前面板和右面板分别设置一组风扇，用于设备内部换气，其中进气风扇位于前面板，排气风扇位于右面板。内部右侧为锂电池组，具有剩余电量显示功能。上面板中央有环境因子显示屏。

图3 便携式特勤人员疗养环境监测设备内部结构示意图

2.4 操作面板结构设计

该设备操作面板即为前面板，包括直流电充电孔、电源开关、重置按钮、参数显示屏、电量显示屏、调零按钮、量程设定按钮、风扇开关、进气风扇等。直流电充电孔的孔径为3．5 mm，内针芯粗1．1 mm，所属的直流电底座与锂电池组直接相连；电源开关选用直径16 mm的金属按钮，带灯环；重置按钮用于设备系统错误时恢复默认设置；参数显示屏选用2．42 in（1 in=25．4 mm）OLED 屏幕，用于显示监测持续时间及监测次数等参数；电量显示屏采用5位LED灯分色显示；调零按钮、量程设定按钮用于控制负氧离子检测模块；风扇开关选用钮子开关，用于控制风扇组的闭合；进气风扇选用直径5 cm、5 V静音风扇，可吸入空气到仪器内部。

3 功能实现

该便携式特勤人员疗养环境监测设备质量轻、结构紧凑、内置电池、便于携带，且仪器内置外接电源接口，可外接交流电源实现长时间连续检测，测量范围广，能够同时检测空气中的负氧离子、PM2．5、PM10、O2、CO、CO2、SO2，以及温度、湿度、气压、紫外线强度、光照度共计12种环境因子。其中，负氧离子、O2、温度、湿度、气压、紫外线强度、光照度为疗养因子指标，对疗养员的日常保健具有重要意义；PM2．5、PM10、CO、CO2、SO2为异常环境监测指标，用于对疗养环境进行异常监测和预警。该设备主要选用Arduino平台进行开发，采用Mega2560开发板、HD50-I2C以及10种不同类型的传感器模块，现对主要模块介绍如下。

（1）控制模块。

选用Arduino平台的Mega2560开发板，其适合需要大量输入输出接口的设计。Mega2560开发板的核心处理器是ATmega2560，其具有54路数字输入输出接口、15路模拟输入接口、4路通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）接口、1个16 MHz晶体振荡器、1个USB接口、1个电源插座、1个程序下载接口和1个复位按钮[4]。

目前，市场对零部件尤其是汽车零部件的加工精度要求越来越高，而汽车制造企业及零部件供应商又面临着巨大的成本压力，这无疑是一个挑战；同时，汽车制造业的自动化、智能化发展已经成为了趋势，如何利用先进的自动化设备提高自身的生产效率，降低综合成本，提升整体竞争力是每个企业都必须考虑的要素。埃马克的此次展会上，无论是配备高性能焊接工艺和自动换装工件夹紧技术、可灵活批量加工各种不同工件的ELC 160激光焊接机，还是利用感应淬火技术实现低成本、高效率、高精度加工效果的MIND-M 1000感应淬火机床，无一不展示出了埃马克的自动化加工理念。

（2）显示模块。

选用HD50-I2C显示模块，该模块支持Arduino平台，采用5 V供电，拥有1块5 in的薄膜场效应晶体管（thin film transistor，TFT）液晶显示屏。该模块自带64 MiB的内存，能存储BMP格式的图片文件，通过集成电路总线（inter-integrated circuit，IIC）接口与单片机连接[5]，实现彩色图形信息显示。

（3）负氧离子检测模块。

选用KEC-990传感器，工作电压为9 V，其核心传感器采用最新镀金工艺生产的高灵敏的极化平行电板，大幅提高了对大气中的游离态离子收集率，克服了同类产品存在的离子收集率不高、检测数值飘移不稳的缺点。

（4）颗粒物检测模块。

选用PMSX003传感器，工作电压为5 V，采用激光散射原理，可以用于获得单位体积内空气中PM2．5和PM10的个数及质量，即颗粒物浓度，并以数字接口形式输出。

选用KE-50传感器，该型传感器采用电化学反应原理，无需外部电源，将氧气体积分数转换为电压值输出，几乎不受CO2、CO等气体的影响，测量范围为 0～100%，精度为±1%[6]。

（6）二氧化碳检测模块。

选用MG811传感器，工作电压为6 V，带温度补偿输出，具有快速的响应恢复特性，稳定可靠，测量范围为 0～10000 ppm（1 ppm=1×10-6）[7]。

（7）温、湿度检测模块。

选用AM2302传感器，工作电压为5 V，包括1个电容式感湿元件和1个高精度测温元件，具有响应超快、抗干扰能力强、性价比高的优点，温度的测量范围为-40～80℃、精度为±0．5℃；相对湿度的测量范围为20%～90%、精度为±2%。

（8）紫外线强度检测模块。

选用 UVM-30，工作电压为 3．3 V，精度为±1 UV index，响应的紫外线波长范围为200～370 nm。UVM-30是一种专为需要高可靠性和精确性测量紫外线指数的场合所设计的传感器[8]。

4 应用效果

该设备从2018年1月开始研制，经过技术路线设计、电子器件选型、电路设计及加工、设备外观设计、结构设计、器件安装、整机调试等阶段后，于2019年3月研制成功并在我中心正式投入运行。

与市面上现有的便携式环境因子监测设备相比，该设备大大地拓宽了环境因子检测的种类，能够同时对负氧离子、PM2．5、PM10、O2、CO、CO2、SO2、温度、湿度、气压、紫外线强度、光照度共计12种环境因子进行检测，且测量结果精确。经过测试验证，该设备的测量误差在合理范围内，其中负氧离子的测量误差低于 15%，PM2．5、PM10的误差低于 10%，相对湿度、光照度的测量精度能达到±0．5%，温度、紫外线强度、气压的测量精度分别为±0．5 ℃、±1 UV index、±1 hPa，O2、CO、CO2、SO2的测量误差均低于 3%。

与我中心之前研制的固定式特勤人员疗养环境监测设备相比，该设备虽然减少了对风速、风向以及火焰的监测，但是却解决了固定式设备的体积大、质量重、生产成本高的缺点，其中体积缩小了约97%，质量降低了约99．5%，生产成本只有固定式的20%。

该设备运行一年半以来，安全、稳定，累计保障疗养员超过200个批次，为我中心的特勤疗养工作提供了很大的便利。

5 结语

便携式特勤人员疗养环境监测设备功能全面、轻巧便捷，完全符合特勤疗养的环境监测实际需求，进一步拓宽了特勤人员疗养环境的监测范围，提高了疗养效果和我中心在疗养环境数据方面的科学管理水平，加速了特勤疗养事业的发展，对我军特勤疗养具有重要的意义。但该设备在数据呈现方面也存在缺点，检测数据只能够显示在屏幕上，不能够保存和读取，在下一版设备的改进过程中应考虑上述不足。