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一种低成本便携式室内环境质量监测装置的设计与开发

摘要

本文介绍了一种低成本便携式室内环境质量监测系统(IEQ)的设计与开发。IEQ是一个整体概念，包括室内空气质量(IAQ)、室内照明质量(ILQ)、声学舒适性和热舒适性(温度和相对湿度)。该装置用于温度、湿度、PM2.5、PM 10、VOCs总量(times;3)、CO的监测。₂、CO、照度和声级。在包括典型的室内工作环境和室外污染在内的各种环境中进行了实验，以评估该装置监测IEQ参数的潜力。所开发的系统能够成功地根据特定事件监测参数变化。设计了一个自定义IEQ指数，用一个简单的评分系统对参数读数进行评分，以计算IEQ的总体百分比。与商业单位相比，拟议系统的优势在于更好的定制和灵活性，以实现各种低成本传感器。此外，低成本的传感器模块降低了整体成本，提供了一种全面、便携、实时的监控解决方案.这一发展设施的研究人员和有兴趣的热心人士要积极主动地参与到IEQ的研究、管理和改进中来。

1.导言

室内环境对我们的健康起着至关重要的作用，因为我们在室内花费的时间很长。欧盟委员会估计，欧洲人大约90%的时间是在封闭的环境中度过的，主要是在家里或工作场所。1]。因此，我们的日常环境有能力以积极或消极的方式极大地影响我们的健康，这一点也就不足为奇了。室内环境的毒性可能是室外的两到五倍。2]。例如，多达20%的欧洲人因室内吸入的物质而患有哮喘。建筑物内释放的烟草烟雾、石棉、氡和苯被确定为欧盟癌症病例增加的主要原因。1]。2014年，世界卫生组织(世卫组织)宣布，空气污染是世界上最大的单一环境健康风险，2012年估计有700万人(占全球死亡总数的八分之一)死于空气污染[3]。研究将室内空气质量与心理健康和短期内不易察觉的疾病联系在一起，但在长期内可能是主要关切问题。4]。绝大多数空气污染死亡是由于心血管疾病，如中风，缺血性心脏病，慢性阻塞性肺病(COPD)。此外，新的研究确定了空气污染与儿童精神疾病增加之间的联系。结果表明，空气污染浓度较高，首先是来自交通的污染，可能会增加儿童和青少年的精神障碍[5]。目前，环境或政府当局使用静态监测站监测空气污染，这些监测站配备了测量管制污染物的仪器。空气污染物分析仪体积大、重量大、价格昂贵，价格在5000欧元到3万欧元之间。6]。还需要大量资源来定期维护和校准这些资源[7].

人们对室内空气质量的日益关注导致了各种室内环境质量监测系统的发展。IEQ是一个整体概念，包括室内照明质量(ILQ)、声学舒适性和热舒适性(温度和相对湿度)。与通风和空调系统一起，这些因素影响居住者的健康、舒适和性能。改善室内空气质量最常见的两种方法是提高通风率，进而减少空气污染物，直接减少污染源。8]。其他办法包括更换过时的电器和采用过滤系统。然而，为了查明劣质简易爆炸问题的来源和评价改进战略的有效性，需要进行化学和物理监测。此外，需要有这种性质的监测系统，使日常用户能够积极主动地参与家庭环境质量的管理和改善。

改善IEQ参数监测的最新进展包括智能对象，它可以管理和控制居住者的周围环境。这包括“黑客”普通物体，如风扇或台灯，使它们能够进行智能操作，以改善室内环境的舒适性。9]。另一些人则用气体传感器制造微型电子鼻，可以在室内探测有毒的有机蒸气。10]。将多个传感器组合成一个单元意味着更广泛地评估与有害健康影响有关的状况，如有害气体物质，以及更影响居民或工人舒适和福祉的条件。当考虑开发“智能家居”和更高水平的家用电器自动化时，这些参数中有许多是有趣的。

一些欧盟资助的项目，包括SENSInhouse、EuNetAir和IAQSense，都专注于实现选择性的、低ppb的低成本气体传感器，并取得了很好的效果。这些项目的成果包括新型传感器系统、实时监视器、VOC传感器系统、预集中器、空气质量建模和标准化方法[11–13]。然而，这些要求对传感器的操作和读出有更深入的理解，这不一定是通过现成的电子模块获得的。多传感器平台(MSP)等项目成功地将多种传感器组合成一种微机械方法，为IEQ参数的监测提供了一种新的方法。这些发展可能会鼓励机构、研究人员和企业对IAQ相关研究的进展和趋势产生更大的兴趣。

还努力设计复杂的监测系统，利用人工神经网络对各种室内环境中影响室内空气质量的来源进行分类[14]。随着便携式室内位置跟踪传感器的发展，个性化的移动传感系统也在兴起，该传感器利用二氧化碳测量来确定准确的个人近距离iq读数[15].

对于家庭和小企业来说，市面上可用的空气质量监测设备种类有限，包括一些工业级设备和消费者级应用程序设备。工业监视器倾向于以更高的精度测量单个参数。消费品的价格从GB 150到GB 400不等，这取决于它们的测量能力和特性。流行的“全方位”产品，如Foobot(美国Airboxlab S.A.S.)和奥威尔(美国Bitfinder)，测量温度、湿度、VOCs和PM2.5。这些产品没有为与IEQ有关的其他重要参数提供全面的监测解决方案。此外，这些设备是不可移植的，因为它们需要与电源插头的不断连接。因此，居住者仅限于监测容易进入的地区。最后，许多这些产品不提供实时读数.相反，间歇性的每小时报告被生成并发送到手机应用程序。实时读数对于疏散或空气净化系统的应用至关重要[16].

除了个人监测设备外，还建立了一些由社区主导的空气质量传感网络.突出的例子包括空气质量蛋(邪恶的装置，美国)和智能市民平台(机器人工业，美国)。这个概念涉及到支持Wi-Fi的硬件，它作为一个网络节点来测量和共享ieq数据。然后，用户可以使用手机应用程序或登录平台来跟踪他们的个人环境，从而与更广泛的社区进行接触。虽然这个模型提供了一种有趣的大规模城市IEQ监测方法，但是建立网络节点的成本对大多数家庭来说可能是负担不起的。按每只空气质素鸡蛋280元计算，须动用1400元，以提供一个全面的监察节点[17]。在此基础上，本文提出的系统旨在降低综合单元的成本，为IEQ提供了一种便携式的实时监控解决方案。此外，它还详细介绍了如何利用现有的商用传感器来建造单元。

2.材料和方法

近几年来，随着我国烟雾水平的不断上升，PM2.5(颗粒物直径小于2.5微米)和挥发性有机化合物(VOCs)已成为衡量室内空气质量的重要指标。然而，与监测简易爆炸问题有关的还有其他各种参数。以往对IAQ系统常见目标二氧化碳(CO)的研究₂)，臭氧(O₃)、一氧化碳(CO)、氧气(O)₂)，二氧化氮(NO)₂)、温度和湿度[14].

监测室内污染物的方法经常涉及使用单独的传感器和/或传感器卡或设计定制的片上系统(Soc)。传感器卡没有提供所需的灵活性来选择一个综合的传感器组合。此外，定制IEQ SoC与设计和制造成本非常高有关。生产技术和成本往往与所需的生产量密切相关。研究团体或有兴趣的爱好者不太可能为小规模的开发项目制作定制的soc。

因此，大多数研究系统采用第一种选择，即将单个传感器组装成一个系统。在某种程度上，这可以被认为类似于电子鼻(所谓的鼻)。在我们的例子中，也采用了这种方法。

其目的是设计一个能够作为可充电和便携式单元运行的系统，该系统通过低成本的传感器模块来测量室内空气污染物。我们选择的传感器与微控制器开发板(FeatherM0)接口，实时处理被测信号并确定IEQ状态。该系统设计用于将原始数据存储到微SD卡上，以便随后进行处理和分析。这些值也被打印到一个低功耗的OLED显示器上，为用户提供不断的反馈。装置内的内部通风是由微风扇产生的。为了对IEQ参数进行最全面的监测，实现了一个由10个传感器组成的阵列。表中列出了传感器和制造商的名单。1.

为了提高传感器的灵活性，在设计中加入了两个特定的传感器，以实现某些系统的修改。该规格传感器范围共享一个相同的PCB足迹，这使得它可以方便地交换传感器，根据应用需要。因此，可将CO和IAQ传感器替换为其他6个传感器，如臭氧(O)。₃)，二氧化氮(NO)₂)，二氧化硫₂)、硫化氢(H)₂呼吸酒精和呼吸刺激物。

三个TVOC传感器部署在IEQ监测单元内。它们是基于mems金属氧化物半导体-(MOS-)传感技术的原理，通过关联CO来实现的。₂测量TVOC值的读数。协和₂由于人是一氧化碳的主要来源，因此被广泛用作衡量室内空气质量的指标。₂在室内环境中。算法被用来直接关联CO。₂TVOC水平。这种方法的局限性是，任何次级或意外的VOC源都可能导致错误的读数。这些传感器已经被开发出来，以取代更昂贵的NDIR传感器在楼宇自动化和供暖、通风和空调方面的应用。然而，CO的成本₂传感器正在迅速下降。虽然这些传感器由于缺乏精确性而为人所知，但多个传感器可以被用于电子鼻方法，以获得更多关于不同VOC污染物的信息。

传感器模块名称、测量范围和精度的详细信息见表。2。ieq监控装置的系统框图如图所示。

图1

监控装置-系统图。

样机的制造和装配分两个阶段完成。使用阿龙设计师(美国阿尔托姆)，根据图中所示的系统图1。此后，PCB被放置在电子外壳内，并连接到其他内部组件，如风扇和显示器。免费的PCB设计工具，如鹰(美国Autodesk)，也可以被感兴趣的爱好者用来设计符合他们需要的PCB。装配阶段如图所示2.

(A)

(B)

(A)
(B)

图2

IEQ-监控设备组装阶段：(A)安装在定制PCB上的传感器模块；(B)装配有内部连接的原型。

传感器模块的成本低于GB 150。加上电子外壳、微控制器、微SD读卡器、实时时钟和OLED显示器，每个单元的硬件成本约为GB 200。传感器系统由商用原型板组成，只需插入PCB即可。这使得研究人员和有兴趣的爱好者可以很容易地复制类似的装置。下一节讨论各个传感参数及其各自对IEQ的影响。

2.1.温湿度

英国/欧盟和美国的法律没有规定工作场所的最低或最高温度，但一般建议至少达到16摄氏度[18]。此外，世卫组织建议将24摄氏度作为舒适工作的最高温度[19]。相对湿度很低或很高都会引起身体不适，因为空气的相对湿度直接影响温度知觉。20]。很低(低于20%)的相对湿度也会引起眼刺激[21]。高湿的环境中空气中含有大量的蒸气，这阻碍了皮肤上汗液的输出，因此应避免[22]。相对湿度在40%到70%之间并不会对热舒适性产生重大影响。然而，超过这个阈值的湿度水平会增加呼吸道感染和过敏的发病率。20]。随着温度的升高，室内湿度水平也会导致霉菌的生长。

2.2.颗粒物质

有两类粒子物质：第一类是2.5至10微米之间的粗尘埃粒子(mu;(M)直径，称为PM 10。PM 10粒子的例子包括灰尘、花粉和霉菌。第二类包括直径为2.5的细颗粒mu;M或更少，称为PM2.5。PM2.5颗粒来自固体燃料燃烧和工业过程。在美国，PM2.5的24小时平均最高水平是35。mu;每立方米g(mu;G/m³)和12mu;G/m³每年的平均数。PM 10的短期上限为150。mu;G/m³。目前没有长期标准[23]。在英国/欧盟，PM2.5和PM 10的年平均接触量不应超过25mu;G/m³和40mu;G/m³分别[24]。美国癌症协会的一项队列研究对120万美国成年人进行了26年(1982-2008年)的跟踪调查，发现当PM2.5空气浓度增加10倍时，肺癌死亡率增加了15-27%。mu;G/m³ [25].

2.3.总挥发性有机物

挥发性有机化合物(VOCs)是人们关注的室内和室外空气污染物。常见的VOCs包括三氯乙烯、苯、甲苯、醇类和丙

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