解析度可調節的多功能智能空氣品質檢測系統及檢測方法與流程
2023-04-28 13:38:21 2
本發明涉及一種空氣品質智能檢測技術，具體地說是一種解析度可調節的多功能智能空氣品質檢測系統及檢測方法。
背景技術：
大氣染汙是由於人類活動或自然過程引起某些物質進入大氣中，呈現出足夠的濃度，達到足夠的時間，並因此危害了人體的舒適、健康和福利或環境。現代工業化生產使空氣汙染日益加劇，汙染物一進入大氣，就會稀釋擴散。風越大，大氣湍流越強，大氣越不穩定，汙染物的稀釋擴散就越快；反之，則汙染物的稀釋擴散就慢。在後一種情況下，特別是在出現逆溫層時，汙染物往往可積聚到很高濃度，造成嚴重的大氣汙染事件。降水雖可對大氣起淨化作用，但因汙染物大氣汙染隨雨雪降落，大氣汙染會轉變為水體汙染和土壤汙染。可見對空氣品質的監測對保護人類賴以生存的環境尤為重要。
目前，空氣品質監測有很多局限，空氣中的煙塵顆粒物濃度和二氧化碳濃度一般採用單點測量，即在一平方米範圍內測PM10或PM2.5的濃度值，不能監測所有參數，更無法測得汙染源的位置、染汙空氣漂移方向等，功能單一，檢測結果不具代表性，監測的靈敏度低，解析度差。
同時，原有裝置佔地面積大，重量大，不能移動，必須使用穩定的市電提供工作電源，能耗高，價格不菲。
技術實現要素：
針對現有技術中空氣品質檢測裝置監測區域小、檢測結果不具代表性等不足，本發明要解決的問題是提供一種可監測多種參數、靈敏度高、解析度高的解析度可調節的多功能智能空氣品質檢測系統及檢測方法。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：
本發明一種解析度可調節的多功能智能空氣品質檢測系統，具有一個或多個空氣品質檢測裝置，以一個主節點或者以一個主節點與一個或多個副節點形式分布於監控區域內，做為主節點的空氣品質檢測裝置可以單獨使用；做為副節點的空氣品質檢測裝置通過自組網和主節點實現數據通訊，每個空氣品質檢測裝置均具有光敏傳感單元、光源單元及外殼，其中，光源單元和光敏傳感器單元分別通過螺紋以可調節光柱長度的方式連接於外殼端部兩側；外殼為圓筒狀結構，其上設有空氣入口。
空氣入口為由圓筒狀外殼切割形成的馬鞍形、方形或圓弧形凹口，空氣入口的最深凹入點或最深凹入線設於圓筒狀外殼的中心線上。
光源單元包括白光發生器和紅外光發生器、第一凸透鏡以及第一控制器，白光發生器和紅外光發生器集成在一塊電路板上，與第一控制器連接，二者的發光點均設於第一凸透鏡入射光側的焦距位置。
做為副節點的光敏傳感器單元包括光敏傳感模塊、無線射頻模塊、第二控制器以及第二凸透鏡，其中，光敏傳感模塊、無線射頻模塊以及第二控制器安裝於一塊無線網絡處理板上，無線射頻模塊接有路由天線；光敏傳感模塊安裝於第二凸透鏡輸出光側的焦距位置，其將光信號轉換為電信號送至第二控制器進行處理；副節點中無線射頻模塊將數據經天線上傳至主節點中的無線射頻模塊。
做為主節點的光敏傳感器單元是在副節點的光敏傳感器單元結構上加設一GPRS模塊；主節點中的無線射頻模塊接收副節點中無線射頻模塊傳來的數據，連同自身數據一同經GPRS模塊發送至基站，再由基站上傳至伺服器。
外殼上設有帶解析度刻度值的標尺，標尺刻度值對應不同的光柱長度。
本發明一種解析度可調節的多功能智能空氣品質檢測方法，其特徵在於包括以下步驟：
將一個多個空氣品質檢測裝置布置於監控區域內，其中多個空氣品質檢測裝置通過相同的ID形成自組網結構；
啟動運行後，空氣由空氣入口進入外殼內，由安裝於外殼一端的光源單元發出光束照射空氣，由安裝於外殼另一端的光敏傳感器單元接收光強數據；
副節點數據傳輸至主節點，主節點將所有節點數據上傳至基站，並進一步上傳至伺服器進行數據分析，得到空氣品質檢測結果。
所述數據分析為：
啟動裝置後，如果光強-時間曲線由穩定後的初始值開始下降，當光強衰變角α為：
1)0°≤α＜30°時，表明該裝置所處檢測位置具有常態空氣品質；
2)30°≤α＜60°時，表明該裝置所處檢測位置為汙染區域；
3)60°≤α＜90°時，表明該裝置所處檢測位置為汙染源。
9.按權利要求7所述的解析度可調節的多功能智能空氣品質檢測方法，其特徵在於所述數據分析為：
如果光強-時間曲線下降後開始恢復，當光強恢復角β為：
1)0°≤β＜30°時，表明該裝置所處檢測位置的風力為微風；
2)30°≤β＜60°時，表明該裝置所處檢測位置風力為勁風；
3)60°≤β＜90°時，表明該裝置所處檢測位置的風力為強風。
所述數據分析為：
如果光強-時間曲線隨時間變化緩慢，說明當前空氣不流通，處於霧霾狀態，發出霧霾警告；
或者，如果光強-時間曲線趨於平緩，但是穩定值比初始值小至少5個點時，表明凸透鏡上粘染灰塵，提醒用戶清理空氣品質檢測裝置。
本發明具有以下有益效果及優點：
1.本發明採用大直徑透鏡，增加光柱的體積，即增加了光柱範圍中空氣的攝入量，從而使得某種檢測對象的濃度變化很低時，也能夠被敏感地感應到，提高了裝置的檢測靈敏度。
2.本發明在光源模塊與光感模塊之間為一個帶解析度刻度值的標尺連接，標尺刻度值(單位：cm)對應著不同的光柱長度，可以通過改變標尺的長度來改變光柱的長度，進而改變了裝置的解析度。
3.本發明裝置具有2.4GHz、433MHz、2G、3G、4G的射頻模塊，其中2.4GHz、433MHz模塊具有自組網功能，能夠方便地形成分布式網絡，實時動態地監測覆蓋區域內的空氣狀況，方便數據上傳，取代了傳統的單點測試。
4.本發明採用節能結構設計，使得空氣無需排風設施就可以自然進出檢測區域，一方面降低了能耗，綠色環保，另一方面使得檢測樣本與自然狀況更加貼切，沒有經過任何處理，檢測結果更加真實有效。
5.本發明體積小、重量輕，可以電池做為工作電源，可在檢測區域內靈活布置，擴大了監測區域範圍。
附圖說明
圖1為本發明空氣品質檢測裝置結構示意圖；
圖2A為本發明中光強-時間曲線中光強衰變角α示意圖；
圖2B為本發明中光強-時間曲線中光強恢復角β示意圖；
圖3A為本發明空氣品質檢測裝置光源端電氣結構框圖；
圖3B為本發明空氣品質檢測裝置光源端電氣原理圖；
圖4A為本發明空氣品質檢測裝置主節點光敏傳感器端電氣結構框圖；
圖4B為本發明空氣品質檢測裝置光敏傳感器端電氣原理圖；
圖4C為本發明空氣品質檢測裝置副節點光敏傳感器端電氣結構框圖；
圖5為本發明實施例中空氣品質檢測裝置布置圖。
其中，1為光源單元，101為第一凸透鏡，102光源供電線，2為外殼，201為標尺，202為空氣入口，3為光敏傳感器單元，301為第二凸透鏡，302為天線。
具體實施方式
如圖1所示，本發明一種解析度可調節的多功能智能空氣品質檢測系統，具有一個或多個空氣品質檢測裝置，以一個主節點或者以一個主節點與一個或多個副節點形式分布於監控區域內，做為主節點的空氣品質檢測裝置可以單獨使用；做為副節點的空氣品質檢測裝置通過自組網和主節點實現數據通訊，每個空氣品質檢測裝置均具有光源單元1、外殼2及光敏傳感器單元3，其中，光源單元1和光敏傳感器單元3分別通過螺扣以可調節光柱長度的方式連接於外殼2端部兩側；外殼2為圓筒狀結構，其上設有空氣入口202。
本實施例中，空氣入口202為由圓筒狀外殼2切割形成的凹口，空氣入口在外殼2的中部正下方，從側面看，切割線可為為馬鞍形、方形或圓弧形凹口，空氣入口202的最深凹入點或最深凹入線設於圓筒狀外殼的中心線上。外殼2上對應光源單元1和光敏傳感器單元3之間的位置處設有帶解析度刻度值的標尺201，標尺刻度值對應不同的光柱長度。
如圖3A、3B所示，光源單元1包括白光發生器和紅外光發生器、第一凸透鏡101以及第一控制器，白光發生器和紅外光發生器集成在一塊電路板上，與第一控制器連接，二者的發光點均設於第一凸透鏡入射光側的焦距位置。可人為任意控制選擇白光或紅外光，採取白光檢測汙染，紅外線光檢測二氧化碳。
如圖4A、4B所示，做為副節點的光敏傳感器單元包括光敏傳感模塊、無線射頻模塊、第二控制器以及第二凸透鏡301，其中，光敏傳感模塊、無線射頻模塊以及第二控制器安裝於一塊無線網絡處理板上，無線射頻模塊接有路由天線；光敏傳感模塊安裝於第二凸透鏡301輸出光側的焦距位置，其將光信號轉換為電信號送至第二控制器進行處理；副節點中無線射頻模塊將數據經天線上傳至主節點中的無線射頻模塊。
如圖4C所示，做為主節點的光敏傳感器單元是在副節點的光敏傳感器單元結構上加設一GPRS模塊；主節點中的無線射頻模塊接收副節點中無線射頻模塊傳來的數據，連同自身數據一同經GPRS模塊發送至基站，再由基站上傳至伺服器。
本實施例中，第一、二凸透鏡101、301均採用5～9cm的大直徑透鏡，可增加光柱的體積，即增加了光柱中空氣的攝入量，從而使得某種檢測對象的濃度變化很低時，也能夠被敏感地感應到，提高了裝置的檢測解析度。在光源單元與光敏傳感器單元之間，由一個帶解析度刻度值的標尺(本實施例設於外殼2上)連接，標尺刻度值(單位：cm)對應著不同的光柱長度，即可以通過改變光源單元與光敏傳感器單元在標尺間的距離來改變光柱的長度，進而改變了裝置的解析度。
本發明裝置中的無線射頻模塊可為2.4GHz、433MHz、2G、3G、4G，本實施例採用具有自組網功能的2.4GHz無線射頻模塊，能夠方便地形成分布式網絡，實時動態地監測覆蓋區域內的空氣狀況，方便數據上傳，取代了傳統的單點測試。
本發明裝置採用了節能結構設計，使得空氣無需排風設施就可以自然進出檢測區域，一方面降低了能耗，綠色環保，另一方面使得檢測樣本與自然狀況更加貼切，沒有經過任何處理，檢測結果更加真實有效。
本發明通過光學理論，在裝置兩端設置了光源單元1和光敏傳感器單元3，利用光穿透介質時，光強的損耗值與空氣中待檢測物的濃度成線性關係這一特性來檢測空氣中待檢測物的濃度。光源單元1放於第一凸透鏡101入光側焦距處，輸出平行柱狀光進入外殼2，第二透鏡301將平行光聚焦後在光敏傳感器單元3的光敏無件處形成點光源，該點光源的光強數值對應出檢測物的濃度，即可反應當前空氣的質量。
檢測煙塵顆粒濃度採用白色光，檢測二氧化碳濃度採用紅外線。
本發明解析度可調節的多功能智能空氣品質檢測方法，步驟為：
將一個或多個空氣品質檢測裝置布置於監控區域內，其中多個空氣品質檢測裝置通過相同的ID形成自組網結構；
啟動運行後，空氣由空氣入口進入外殼內，由安裝於外殼一端的光源單元發出光束照射空氣，由安裝於外殼另一端的光敏傳感器單元接收光強數據；
副節點數據傳輸至主節點，主節點將所有節點數據上傳至基站，並進一步上傳至伺服器進行數據分析，得到空氣品質檢測結果。
本實施例將監控區域設計為100×100mm陰涼乾燥的室外區域的非風口位置，採用7個空氣品質檢測裝置在上述區域內分布式放置，如圖5所示，以布設於中心位置的1號裝置做為主節點，其他2～6號裝置做為副節點，徑向均布於1號裝置圓周上，形成正六邊形，各裝置空氣入口202朝下，按要求調整好第一、二凸透鏡的間距，選擇、確定檢測的解析度。
正六邊形中，1號裝置不僅具有檢測汙染的功能，還可以將數據發送到基站，其他周圍節點只具有檢測汙染的能力，與1號裝置組成無線網絡，把數據發給1號裝置進行處理後統一發到基站。
啟動裝置後，如果光強-時間曲線由穩定後的初始值開始下降，當光強衰變角α(如圖2A所示)為：
1)0°≤α＜30°時，表明該裝置所處檢測位置具有常態空氣品質；
2)30°≤α＜60°時，表明該裝置所處檢測位置為汙染區域；
3)60°≤α＜90°時，表明該裝置所處檢測位置為汙染源。
如果光強-時間曲線下降後開始恢復，當光強恢復角β(如圖2B所示)為：
1)0°≤β＜30°時，表明該裝置所處檢測位置具有微風；
2)30°≤β＜60°時，表明該裝置所處檢測位置風力為中等強度的勁風；
3)60°≤β＜90°時，表明該裝置所處檢測位置具有強風。
如果光強-時間曲線隨時間變化緩慢，說明當前空氣不流通，處於霧霾狀態，發出霧霾警告；
或者，如果光強-時間曲線趨於平緩，但是當穩定值比初始值小至少5個點時(5％)，表明凸透鏡上粘染灰塵，提醒用戶清理空氣品質檢測裝置。
檢測煙塵顆粒濃度採用白色光，檢測二氧化碳濃度採用紅外線，可以人工控制切換。
當光強-時間曲線由水平穩定的初始狀態開始劇烈下降時，表明灰塵來了，下降越劇烈說明離汙染源越近，通過擬合(用最小二乘法)汙染之後的曲線計算(採用斜率公式)光強衰變角α可以找到汙染源。光強衰變角α為光強數據下降時的曲線(具有斜率的直線)原初始狀態的曲線(水平線)之間的夾角，0°≤α＜90°。
光強數據開始快速上升時，通過光強恢復角β的變化大小可以判斷為有風吹來，灰塵即將散去。在不同位置放置光強傳感器，通過灰塵濃度和光強的關係可以得知風移動的方向(要多個裝置配合進行)，風把灰吹起來的情況。採用多點檢測法判斷，如東西南北四個方向當北側裝置最後發生數據變化，風是從其他三個方向吹來。
灰塵的顆粒大小不同，大顆粒的灰塵落下的速度快，曲線變化也快，小顆粒的灰塵落下的速度緩慢，曲線變化也會很慢，以此可以初步判斷出空氣中灰塵顆粒的大小及佔總體的百分比含量。大顆粒是指PM10以上的顆粒，小顆粒是指PM10以下的顆粒。