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密閉環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)及評價方法研究

2019-04-20 10:02李博宸丁喜波蔡慶瑤
關(guān)鍵詞:空氣質(zhì)量因子模塊

李博宸 丁喜波 蔡慶瑤

摘要:針對密閉環(huán)境空間狹小,與外界相對不流通,長時間處在這樣的環(huán)境下會產(chǎn)生惡心、頭暈、無力等癥狀的問題,研制一種能夠監(jiān)測密閉環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的理論意義和很大的應(yīng)用價值。采用模塊化設(shè)計方法設(shè)計了密閉環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),整個系統(tǒng)由主板和檢測模塊構(gòu)成。當(dāng)被測的密閉環(huán)境改變時,只需添加或減少相應(yīng)的檢測模塊即可,增加了系統(tǒng)的靈活性和后期維護的方便性,并建立了基于模糊數(shù)學(xué)的密閉環(huán)境空氣質(zhì)量評價模型和評價算法。利用研制的監(jiān)測系統(tǒng)進行了測量和空氣質(zhì)量評價實驗,實驗結(jié)果表明,采用的空氣質(zhì)量評價算法可以有效地評價環(huán)境空氣質(zhì)量,各環(huán)境參數(shù)測量精度滿足相關(guān)的標(biāo)準要求。

關(guān)鍵詞:

密閉環(huán)境;空氣質(zhì)量評價;監(jiān)測系統(tǒng);多參數(shù);模塊化

DOI:10.15938/j.jhust.2019.01.010

中圖分類號: X932;TP271

文獻標(biāo)志碼: A

文章編號: 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

密閉環(huán)境是指與大氣環(huán)境不連通,內(nèi)部可以看做自成體系的一種封閉環(huán)境,礦用救生艙、特定密封車間、潛艇、深水工作船、宇宙飛船等都屬于此類環(huán)境。密閉環(huán)境由于活動范圍狹小,人員密集,同時機器廢氣、人體代謝等產(chǎn)生的廢物長時間累積會污染密閉環(huán)境,當(dāng)工作人員一直在這樣狹小的密閉環(huán)境里操作或是活動時,很可能出現(xiàn)頭暈?zāi)垦?,耳鳴,盜汗,易怒,氣短等現(xiàn)象,這將會大大影響工作人員的生活健康,并降低作業(yè)效率[1-3]。為保證密閉空間中工作人員的生活質(zhì)量、提高工作效率,對密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量提供實時測量并用一定的科學(xué)算法對密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量進行評價是必要且有意義的[4]。

現(xiàn)階段,一些科研人員對有關(guān)的氣體(一氧化碳,氧氣,硫化氫等)、溫濕度等測量理論進行了較為深入的研究,成果較為豐富[5-8]。同時一些科技公司也開發(fā)了各種各樣的氣體檢測裝置,如溫濕度計、一氧化碳報警器、二氧化碳檢測儀、氧氣檢測儀等等[9-11]。這類相關(guān)的儀器性能優(yōu)越,可靠性好,但大都只能檢測一種或是幾種參數(shù),無法勝任對密閉環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測,對相關(guān)的密閉環(huán)境質(zhì)量給出合理的評價就更難以完成。無論國內(nèi)還是國外對于密閉環(huán)境參數(shù)的測量絕大多數(shù)采用單一分立的方式,很少有集成的系統(tǒng)實現(xiàn)對密閉環(huán)境參數(shù)測量這方面的研究[12]。

本文開發(fā)了一種模塊化的實時密閉空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)可對密閉環(huán)境主要環(huán)境參數(shù)進行高精度、高可靠性、實時測量。模塊化設(shè)計可以使用戶針對不同環(huán)境的特定污染物增加或減少特定的檢測模塊,兼顧低成本和多功能需要,并滿足差異化應(yīng)用。

1監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

本密閉環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)由主板和多個相對獨立的檢測模塊組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)的基本測量參數(shù)有:氧氣、二氧化碳、差壓、環(huán)境溫濕度、有毒氣體(一氧化碳、硫化氫)等環(huán)境參數(shù),特定環(huán)境中可根據(jù)情況進行增減檢測參數(shù),比如氨氣、甲醛等[13]。對密閉環(huán)境空氣質(zhì)量進行監(jiān)測可以為現(xiàn)場的工作人員提供空氣質(zhì)量基本參數(shù)直觀值,同時通過環(huán)境空氣質(zhì)量評價算法給出可信的空氣質(zhì)量評價[14]。

主板用于接收檢測模塊的數(shù)據(jù)信號、判斷環(huán)境參數(shù)是否超限、進行環(huán)境質(zhì)量評價等工作,主板還有設(shè)定監(jiān)測參數(shù)上限或下限、模塊標(biāo)定、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等工作。在檢測模塊上,氣體傳感器將檢測到的氣體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成微弱的模擬信號,經(jīng)過測量電路進行濾波、放大后送入單片機進行A/D轉(zhuǎn)換,通過數(shù)據(jù)處理程序轉(zhuǎn)換為環(huán)境參數(shù)值,之后通過串行接口發(fā)送給主板。不同的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)檢測的環(huán)境參數(shù)有一定不同,為滿足多方面需求,檢測模塊可以靈活的組合配置,以適應(yīng)不同的密閉環(huán)境的監(jiān)測要求。

2監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2?1主板設(shè)計

主板的組成如圖1所示。主板以PIC16F882單片機做為核心設(shè)計,主板單片機需要與檢測模塊單片機進行通信,采集各模塊的當(dāng)前測量值,

并對采集的各模塊數(shù)據(jù)與各自的報警限比較,判斷是否超限。主板單片機還采用本文的空氣質(zhì)量評價算法進行空氣質(zhì)量評價。同時主板還包括電源電路、顯示電路、報警電路、紅外接收電路等。

2?2檢測模塊設(shè)計

檢測模塊包括氣體傳感器、測量電路以及單片機,如圖1所示。測量電路將氣體傳感器的電信號放大為適合單片機處理的電壓信號,由單片機進行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、溫度補償,再通過異步串口發(fā)送給主板。本文采用模塊化設(shè)計方法設(shè)計檢測模塊,各個檢測模塊間除敏感元件和測量電路不同外,其他部分完全一樣,因此各個模塊的設(shè)計基本思路相同。本文僅介紹一氧化碳檢測模塊的設(shè)計,其它模塊不再一一介紹。

2?2?1傳感器選型

本文采用CO?AF傳感器測量一氧化碳,該傳感器為電化學(xué)式氣體傳感器[15]。其靈敏度為50.mA,量程為0~2×10?-3?,采用三引腳封裝。工作過程為:一氧化碳氣體透過過濾膜與工作電極進行氧化反應(yīng),產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電流信號[16]。

2?2?2測量電路設(shè)計

一氧化碳測量放大電路原理圖如圖2所示。當(dāng)一氧化碳的濃度每變化1×10?-6?時,工作電極WE的引腳電流變化量小于90.nA,因此對于處理該信號的放大器有著較高的要求。本文采用了CMOS型具有超低偏置電流的跨阻放大器ADA4505-2,其典型的輸入偏置電流為0?5.pA,失調(diào)電壓漂移2?5.μV/℃,輸入輸出完全軌對軌,因此該運放完全滿足此弱信號放大要求。

2?2?3檢測模塊單片機電路設(shè)計

檢測模塊單片機作為控制中樞,需要對放大后的模擬信號進行數(shù)據(jù)采集、處理等,計算完成后將得到的測量參數(shù)值與主板采用串口進行通訊實現(xiàn)信息傳送。電路原理圖如圖3所示。

3監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計即程序設(shè)計是密閉環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的靈魂,軟件設(shè)計關(guān)乎到硬件協(xié)調(diào)工作、采樣精度、系統(tǒng)的實時性等。密閉環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)使用PIC16f882為主控芯片,開發(fā)環(huán)境為MPLAB X。系統(tǒng)的主程序框圖如圖4所示。

圖4中,(a)為主板程序流程圖,(b)為檢測模塊程序流程圖。對于主板上電后進行系統(tǒng)初始化、看門狗喂狗后進行自檢,自檢主要檢測板上各測試點電壓正常與否、檢測模塊哪些存在哪些不存在,如果預(yù)先設(shè)定好的相關(guān)測試點電壓錯誤或是所有檢測模塊均不存在則顯示故障。對于檢測模塊,上電后進行系統(tǒng)初始化看門狗喂狗后,若有紅外按鍵信號則進行標(biāo)定,之后為了降低功耗進行待機狀態(tài),當(dāng)主板有請求時,檢測模塊開始工作,之后將測量結(jié)果通過USART將數(shù)據(jù)傳輸給主板。

4空氣質(zhì)量評價模型

目前,自然環(huán)境的空氣污染指數(shù)已確立了API標(biāo)準,室內(nèi)空氣質(zhì)量評價采用GB/T 18883-2002標(biāo)準,針對密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量評價也有了一些評定標(biāo)準,如表1所示。但目前對于空氣質(zhì)量評價的理論研究還不是很完善。通常做法是對相關(guān)的參數(shù)進行上下限設(shè)定,超限后進行報警,并且對限定范圍內(nèi)進行分級[17]。由于密閉環(huán)境的綜合復(fù)雜性、相關(guān)參數(shù)的時間連續(xù)性,有時僅有一個指標(biāo)發(fā)生變化便可能使整個密閉環(huán)境的舒適度有較大的變化[18]。

為此,本文利用模糊數(shù)學(xué)的理論來評價密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量。基于模糊數(shù)學(xué)的密閉環(huán)境空氣質(zhì)量評價結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示[19-20]。

圖5中,?s?n?為影響因子,即密閉環(huán)境空氣質(zhì)量的決定因素;?α?n?為權(quán)重因子,即為對應(yīng)影響因子的權(quán)重;P為權(quán)重集,R為相關(guān)度矩陣,Q為密閉環(huán)境空氣質(zhì)量評價準則。

密閉環(huán)境空氣質(zhì)量的評價算法過程如下:首先,確定相關(guān)的影響因子,精準的影響因子定位能夠準確地給出密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量評價,影響因子可以參考表2;其次,由于不同的影響因子對密閉環(huán)境的影響程度有所差別,因此需要給出不同影響因子的權(quán)重?α?m?,權(quán)重可以衡量相關(guān)的影響因子對密閉環(huán)境空氣質(zhì)量影響的大小;再次,根據(jù)不同影響因子的特點給出相應(yīng)的相關(guān)函數(shù),該函數(shù)用數(shù)學(xué)的觀點量化地反映了該影響因子與密閉環(huán)境之間的關(guān)系;最后,綜合評價準則,利用模糊變換求出相關(guān)度值,進而利用該模型完成密閉環(huán)境空氣質(zhì)量評價。

相關(guān)數(shù)學(xué)模型如下:

假設(shè)密閉環(huán)境空氣質(zhì)量的影響因子有?n?個,則其將構(gòu)成相應(yīng)的影響因子集合?S={s?1s?2…s?n},與相應(yīng)影響因子相對應(yīng)的權(quán)重集P={α?1α?2…α?n},為了方便認識密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量,本文將其分為優(yōu)秀、良好、中等、較差、極差5個等級,假設(shè)?m?級,則評價集Y={y?1y?2…y?m}。

由影響因子集合S={s?1s?2…s?n},?根據(jù)相關(guān)函數(shù),能夠構(gòu)建由S到Y(jié)的模糊映射,進而可以得到相關(guān)度矩陣R。

R=Y?11?Y?12?…Y?1m

Y?21?Y?22?…Y?2m

Y?n1?Y?n2?…Y?nm?(1)

根據(jù)?R,S到Y(jié)?的模糊映射可求:Q=PR,Q為1×m階矩陣,是依據(jù)本算法得出的空氣質(zhì)量等級。矩陣中每個元素代表了相應(yīng)等級的比重,取元素值較大的等級作為密閉環(huán)境的最終等級。

相關(guān)函數(shù)的建立如下:

優(yōu)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)

較差: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)

極差:y?i5?=0u?i≤e?4

u?i-e?4e?5-e?4e?4

1u?i≥e?5(6)

式中,i為影響因子集中的相關(guān)元素;e?i為第i種影響因子的標(biāo)準值;u?i為第i種影響因子的實際測量值。對應(yīng)的函數(shù)曲線圖如圖6所示。

將實測數(shù)據(jù)分別帶入對應(yīng)的相關(guān)函數(shù),便可以求出各個影響因子對應(yīng)相關(guān)等級的相關(guān)度y?ij?,于是相關(guān)度集合為R?i=y?i1?,y?i2?,y?i3?,y?i4?,y?i5?,由此可求出相關(guān)度矩陣。

本文采用貢獻率的方式來計算影響因子對空氣質(zhì)量的影響程度,并通過式(7)來分配權(quán)重,式中n為相應(yīng)的影響因子數(shù)。

P=u?i/e?i∑n?i=1?u?i/e?i(7)

5系統(tǒng)測試實驗及結(jié)果分析

室內(nèi)空氣品質(zhì)分級是室內(nèi)空氣品質(zhì)評價的依據(jù)。我國目前還沒有出臺有關(guān)室內(nèi)空氣品質(zhì)的標(biāo)準,本文根據(jù)實際應(yīng)用需要擬定了密閉環(huán)境空氣質(zhì)量分級表,如表2所示。

對某個密閉環(huán)境進行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測測得值如表3所示。

根據(jù)表2所示,密閉環(huán)境部分參數(shù)監(jiān)測值的相關(guān)度矩陣為:

R=0?930?07000

000?50?50

0000?390?61

000?60?40

根據(jù)式(7)可以計算出表3所示的影響因子權(quán)重集為:P=[0?02, 0?1, 0?8, 0?08],其計算過程如表4所示。

因此對表3所給出的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測值進行的綜合評價結(jié)果為:

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]

根據(jù)上述結(jié)果,表3所示監(jiān)測值的密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量等級為?Y?5(即極差)。

6結(jié)論

本文研制了一種密閉環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)采用模塊化方法進行設(shè)計,便于進行功能擴展和實現(xiàn)差異化應(yīng)用。本文進行了密閉環(huán)境空氣質(zhì)量的評價研究,建立了一種基于模糊數(shù)學(xué)理論的評價數(shù)學(xué)模型,給出了實現(xiàn)該模型的算法。研制的監(jiān)測系統(tǒng)可以對密閉環(huán)境的多種參數(shù)進行實時精確測量,實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)及其評價算法可以對密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量給出恰當(dāng)?shù)脑u價。

參 考 文 獻:

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