CN104008626B - 一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置，包括：MEMS环境传感器，用于感知环境中电磁辐射、甲醛、甲烷等危害人体健康的多项污染物参数；处理模块，用于将MEMS环境传感器采集的各种参数与预设安全值进行比较，若所检测参数超过预设安全值则发送报警信息；第一无线模块，用于信息交互；LED灯组，用于获得处理模块发送的报警信息后进行灯光显示报警。本发明还公开了一种智能综合感知系统，包括感知装置和移动终端，移动终端通过无线方式主动查询和被动接收感知装置发送的信息并对超限项报警。通过本发明的技术方案，实现多项环境参数的并行实时采集和感知装置的便携性，使人体健康得到综合的、随时随地的、智能的防护。

Description

一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置与系统

技术领域

本发明涉及健康领域的感知装置及系统，特别涉及一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置和系统。

背景技术

随着社会的发展以及人们生活水平的不断提高，越来越多的人已不再仅仅满足于简单的房屋装修和单一的电子产品，不断提高的装修档次和多样化电子产品的普及，丰富了人们的生活，但同时给人们的健康带来了前所未有的挑战。房屋装修的建筑装饰材料中含有并持续释放出大量甲醛到空气中，世界卫生组织2004年发布的153号公告指出“甲醛是人类致癌物”，2006年中国环境学会召开的“甲醛离儿童白血病到底有多远”研讨会数据表明，某儿童医院血液病研究所10年收治的1800多名白血病患儿中，有46.7％的家庭在发病半年内进行过装修，而人们在室内度过的时间平均占66％，老人与儿童则高达90％，显然，室内甲醛污染已成为导致老年人及幼儿患癌症及白血病的主要诱因。现有电子产品的主要危害是电子产品造成生活空间中的电磁辐射污染，而电磁辐射污染是导致当代年轻人生育能力降低的主要原因之一，美国华盛顿技术评定处的报告显示，凡是电子设备，比如手机、路由器、微波炉、电吹风、电热毯、电子计算机、电冰箱、彩色电视机等，都产生各种不同波长和频率的电磁波俗称“电子雾”，电子雾可致睾丸生精细胞发生障碍，导致精液中精子数量减少甚至无精症。与此同时，管道天然气(主要成分为甲烷)和管道煤气(主要成分为一氧化碳)已逐步成为大多数居民的主要生活能源，然而每年由于燃气灶、燃气热水器等设备使用不当及管道维护缺失造成的一氧化碳气体泄露中毒事件和甲烷气体泄露爆炸事件频发，给人民生命和财产造成了严重损失。此外，大气中的雾霾对中国人的生活已产生极大影响，2014年1月以来雾霾天气反覆肆虐中国大部分地区，中国工程院院士钟南山指出，“中国目前雾霾的浓度远远超过联合国允许的最大浓度——75微克或50微克每立方米，这样的浓度西方连动物试验都没有做过”。综上所述，甲醛污染、电磁辐射污染、一氧化碳污染、甲烷污染和雾霾污染正充斥着人们所依赖生存的环境，给人民生命健康造成了极大危害。

然而，现有相关环境监测设备只能单独检测环境中甲醛浓度、电磁辐射强度、一氧化碳浓度、甲烷浓度与细颗粒物(PM2.5)值这些参数中某一项参数,因此，单台设备无法对环境的安全健康状况进行综合检测和防护指导。并且，现有相关检测设备的体积较大，大部分设备带有液晶显示屏，其显示屏的尺寸大多为150mm×90mm×40mm，且整机重量达500g左右，不方便随身携带，因此无法跟随用户对其所处的任意环境进行监测。也有部分设备将显示功能转移到手机上实现，从而设备的体积和重量得以大幅度优化，但它们与手机的连接方式采用的是音频、USB等有线连接方式，即设备必须通过有线方式与手机连接后，才能通过手机获取设备的检测值；要求手机用户二十四小时将手机有线地与某一检测设备连接是不现实的要求，这将严重妨碍手机这类随手移动设备使用的轻便性；而用户在某环境中感到身体不适后才意识到需要手工地连接所携带的检测设备与手机以获取环境参数，此时用户在该恶劣环境中已曝露了一段时间、已对身体造成了一定的伤害；简而言之，采用有线连接方式的这类设备在不影响手机正常使用的前提下，无法实现对环境污染参数二十四小时地实时监测和超标自动告警。

因此，如何能够使用户全面地、随时随地的、并且及时地了解其所处任意环境的污染情况，有效避免或减轻环境中的各项典型污染物对用户身体健康的侵害，成为本领域技术人员亟须解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服现有相关环境健康监测设备存在的以上缺陷，对环境中多个典型危害人体健康的污染参数进行并行采集，实现设备的微型化和随身便携性，通过系统二十四小时在线实时监测环境并对超标项自动告警，使用户身体健康得到综合的、随时随地的、智能的防护。

为解决上述问题，本发明提出一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置与系统。

面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置包括MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)环境传感器、处理模块、LED灯组和第一无线模块，其中：

所述MEMS环境传感器包括MEMS甲醛浓度传感模块、MEMS电磁辐射强度传感模块、MEMS一氧化碳浓度传感模块、MEMS甲烷浓度传感模块、MEMS温度传感模块和MEMS湿度传感模块，用于采集环境中的电磁辐射、甲醛、一氧化碳、甲烷危害人体健康的四项污染物类型和浓强度参数以及温湿度参数；

所述处理模块，用于将MEMS环境传感器采集的各种污染物参数信息与预设安全范围进行比较，若所检测参数超过预设安全范围，向第一无线模块和LED灯组发送报警信息；

所述第一无线模块，用于与第二无线模块进行信息交互；

所述LED灯组，用于获得处理模块发送的报警信息后进行灯光显示报警；

所述感知装置的封装包括两层结构：第一层为传感层，由MEMS环境传感器构成，第二层为系统层，由外围电路模块、第一无线模块、A/D模块及处理模块在PCB板上封装及布线并将I/O引脚引出构成；

感知装置采用集成封装技术SiP中的3D堆叠结构技术封装而成，放置在用户随身携带的包中、口袋或依附在用户随身携带的第三方设备上。

优选的，所述MEMS温度传感模块和MEMS湿度传感模块，用以校正在不同温度和湿度下环境污染参数的采集值。

优选的，所述第一无线模块为蓝牙模块或Wi-Fi(Wireless Fidelity)模块。

优选的，所述LED灯组由红、黄、蓝、紫4个LED灯组成，若甲醛浓度超过安全范围，则LED灯的黄灯点亮；若电磁辐射强度超过安全范围，则LED灯的红灯点亮；若一氧化碳浓度超过安全范围，则LED灯的蓝灯点亮；若甲烷浓度超过安全范围，则LED灯的紫灯点亮。

面向环境健康的无线便携式智能综合感知系统包括上述的面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置以及移动终端，所述移动终端通过无线通信方式与所述面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置连接。

所述移动终端包括第二无线模块、查询模块、显示模块和报警模块。其中：

所述第二无线模块，用于从面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置中的第一无线模块处获得甲醛、一氧化碳、甲烷的浓度和电磁辐射强度，同时采用移动互联网技术向指定服务器读取细颗粒物(PM2.5)值；

所述查询模块，用于用户主动查询用户所处环境中各项污染物的实时值，从而主动更新显示单元数据；

所述显示模块，用于显示面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置检测并发送来的用户所处周围中的甲醛浓度、电磁辐射强度、一氧化碳浓度、甲烷浓度和温湿度数值；

所述报警模块，用于在接收到面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置发来的某项或多项浓度值或PM2.5值超过安全值时发出震动报警及语音提示报警。

优选的，所述第二无线模块包括蓝牙模块/Wi-Fi模块和移动通信模块(移动通信模块为可选配模块)。

优选的，所述移动终端的硬件设备设置在智能手机、智能终端、笔记本、平板电脑第三方移动设备上。

本发明的有益效果是：集成多个环境污染参数传感器在本装置中，同时采用移动互联网技术从指定服务器中获得细颗粒物(PM2.5)值，实现了对环境中五种典型危害人体健康污染参数的并行采集，使用户能够较全面地了解其所处环境的污染情况，当污染物参数超限时及时提醒用户，污染环境中用户的身体健康得以综合防护；采用MEMS传感器和集成封装技术SiP，并将人机交互功能移植到用户的手机或平板电脑等第三方设备平台上，去除了现有感知装置中的显示屏和操作按键等，大幅缩小了感知装置的体积，实现了感知装置的便携性，用户可随身携带，用户身体健康得到了随时随地的防护，此外，由于感知装置内部的连接线路大幅缩短，模块和装置的运行速度、抗干扰特性、功耗和可靠性均显著改善；并且，采用蓝牙或Wi-Fi无线通信技术，克服了音频、USB等有线连接方式中感知装置与移动终端双方必须通过人工参与完成有线连接操作之后整体系统才能有效运行、而有线连接严重妨碍了手机这类第三方移动装置使用轻便性的弊端，实现了感知系统二十四小时地在线实时监测环境参数并对超标项自动进行判断和告警，显著提高了装置和系统感知环境的智能性。

附图说明

图1为本发明提供的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置的组成原理框图。

图2为本发明提供的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置的封装示意图。

图3为本发明提供的一种MEMS集成环境传感器的封装示意图。

图4为本发明提供的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知系统的组成原理框图。

图5为本发明提供的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知系统的三种携带方式示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参见图1，图1为本发明提供的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置的组成原理框图。

如图1所示，该感知装置包括MEMS环境传感器(11)、处理模块(12)、第一无线模块(13)和LED灯组(14)。MEMS环境传感器(11)包括MEMS甲醛浓度传感模块(111)、MEMS电磁辐射强度传感模块(112)、MEMS一氧化碳浓度传感模块(113)和MEMS甲烷浓度传感模块(114)，用于对环境中的甲醛浓度、电磁辐射强度、一氧化碳浓度、甲烷浓度四项严重危害人体健康的污染物参数同时进行采集，并将各种参数信息发送给处理模块(12)进行分析处理；此外，MEMS环境传感器(11)还包括MEMS温度传感模块(115)和MEMS湿度传感模块(116)，用以校正在不同温度和湿度下环境污染参数的采集值，有效消除外界温湿度对测量数据的干扰。处理模块(12)，用于将MEMS环境传感器(11)采集的各种参数与预设安全值进行比较，若所检测参数超过预设安全值则发送报警信息。第一无线模块(13)，用于信息交互。LED灯组(14)，用于获得处理模块(12)发送的报警信息后进行灯光显示报警。

MEMS集成环境传感器(11)实时检测甲醛浓度、电磁辐射强度、一氧化碳浓度、甲烷浓度及温湿度并进行模数转换，处理模块(12)实时读取和存储数模转换值，在数据存储一定量后对浓度数据进行温度及湿度补偿，并将补偿后的浓度数据与设定的安全范围值进行比较：若所有值均小于安全值，则LED灯组(14)的灯都不点亮，表示周围很健康；若电磁辐射强度大于安全值，则LED灯组(14)的红灯点亮；若甲醛浓度大于安全值，则LED灯组(14)的黄灯点亮；若一氧化碳浓度大于安全值，则LED灯组(14)的蓝灯点亮；若甲烷浓度大于安全值，则LED灯组(14)的紫灯点亮；当发生上述任意一种报警发生，该感知装置通过第一无线模块(13)中蓝牙或Wi-Fi无线信道将激活码及相应信息实时发送出去。

参见图2，图2为本发明提供的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置的封装示意图。

如图2，该感知装置的封装包括两层结构：第一层为传感层，由MEMS环境传感器(11)构成，第二层为系统层，由外围电路模块(15)、第一无线模块(13)、A/D模块(16)及处理模块(12)在PCB板上封装及布线并将I/O引脚引出构成，外围电路模块(15)为整个系统正常运行提供必要电阻、电容及晶振等无源元件，第一无线模块(13)为蓝牙或Wi-Fi通讯模块，A/D模块(16)采用高精度模数转换芯片，处理模块由嵌入式处理器和存储器组成。此外，外接电源模块(19)、LED灯组(14)，I/O引脚(18)与电源模块(19)相连、并通过I/O引脚(18)控制LED灯组(14)工作状态。多个MEMS传感器通过SiP技术进行立体封装，封装体内采用陶瓷基板和多层3D堆叠结构，各层在垂直方向上进行堆叠；信号间的连接应用倒叩芯片互连技术，即将传感芯片倒置在基板凸点上，与芯片相应焊接区域对准，然后加热焊接使之熔接，其集成度高、散热好、寄生电感小、能很好减少封装尺寸。通过采用MEMS传感器、3D堆叠结构和倒叩芯片互联技术，最终构成一个完整的基于SiP封装的面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置(1)，该面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置(1)较现有传统模块面积缩小约80％、质量减少约70％，从而使装置体积和重量得以大幅度降低。且由于连接线路大幅缩短，模块和装置的运行速度、抗干扰特性、功耗和可靠性均显著改善。

参见图3，图3为本发明提供的MEMS环境传感器(11)的封装示意图。

如图3所示，MEMS环境传感器(11)包括MEMS甲醛浓度传感模块(111)、MEMS电磁辐射强度传感模块(112)、MEMS一氧化碳浓度传感模块(113)和MEMS甲烷浓度传感模块(114)，用于对环境中的甲醛浓度、电磁辐射强度、一氧化碳浓度、甲烷浓度四项严重危害人体健康的污染物参数同时进行采集，并将各种参数信息发送给感知装置(1)的处理模块(12)进行分析处理。MEMS环境传感器(11)还包括MEMS温度传感模块(115)和MEMS湿度传感模块(116)，用以校正在不同温度和湿度下环境污染参数的采集值，有效消除外界温湿度对测量数据的干扰。此外，该环境传感器包括8个焊点，分别为两个电源输入焊点以及及MEMS甲醛传感器、MEMS一氧化碳传感器、MEMS甲烷传感器、MEMS电磁辐射传感器、MEMS温度传感器及MEMS湿度传感器的模拟量数据输出焊点。整个MEMS环境传感器(11)的尺寸为50mm×80mm。

参见图4，图4为本发明提供的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知系统的组成结构原理框图。

如图4所示，本发明提供一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知系统，包括面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置(1)与移动终端(2)。面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置(1)主要包括MEMS环境传感器(11)、处理模块(12)、第一无线模块(13)和LED灯组(14)；移动终端(2)包括第二无线模块(21)和查询模块(22)、显示模块(23)及报警模块(24)。所述MEMS环境传感器(11)，用于感知环境中的各种危害人体健康的污染物参数；所述处理模块(12)，用于将MEMS环境传感器(11)采集的各种污染物参数信息与预设安全范围进行比较，若所检测参数超过预设安全范围，向第一无线模块(13)和LED灯组(14)发送报警信息；所述第一无线模块(13)，用于与第二无线模块进行信息交互；所述第二无线模块(21)，用于从面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置获得相关环境信息以及从指定服务器中获得细颗粒物PM.5值；所述查询模块(22)，用于用户主动查询用户所处环境中各项污染物的实时值，从而主动更新显示单元数据；所述显示模块(23)，用于显示用户周围的甲醛浓度、电磁辐射强度、一氧化碳浓度、甲烷浓度、温湿度；所述报警模块(24)，在某项或多项浓度值及PM2.5值超过安全值时发出震动报警及语音提示报警，提醒用户此刻用户周围环境存在危险，进而提示用户离开有污染的环境。

上述实施例中，实现了对环境多参数的并行采集，能使用户能够全面地了解所处环境中的多项污染物的情况，并且当环境的参数超过人体所能承受的安全范围时及时向用户报警，污染环境中用户的身体健康得以综合防护；采用MEMS的环境传感器(11)使装置体积大大减小，实现了装置的微型化，为进一步减小装置体积，将移动终端与面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置采用无线连接，一方面能够进一步减小装置体积，去除现有装置中的显示屏及操作按键，另一方面无线通信方式解决了音频、USB等有线连接方式中面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置(1)与移动终端(2)双方必须通过人工参与完成有线连接操作之后整体系统才能有效运行、而有线连接严重妨碍了移动装置使用轻便性的弊端，实现了感知系统二十四小时地在线实时监测和超限报警。

在具体的实施方式中，第一无线模块(13)和第二无线模块(21)同时为蓝牙模块或Wi-Fi模块及移动通信技术。蓝牙和Wi-Fi均工作在工频带内(ISM，Industrial ScientificMedical),该频带为不需要额外向有关管理单位提出申请使用的无线电通信频带；目前用户手机或平板电脑等第三方能设备均具备蓝牙或Wi-Fi无线通信功能，蓝牙和Wi-Fi通信均具有穿墙性即穿越障碍物的能力、无方向性限制和对移动的支持性，蓝牙通信距离为10米，Wi-Fi通信距离为100米，蓝牙芯片休眠电流为0.5uA、通信时平均电流为5mA,Wi-Fi芯片休眠电流为uA、通信平均电流为80mA。故本发明中感知装置与配合工作的第三方移动装置的无线通讯方式采用蓝牙或Wi-Fi及移动通信技术，对该移动装置无新增硬件投资要求。

优选的，移动终端(2)的硬件设备可以设置在智能手机、智能终端、笔记本、平板电脑等第三方移动设备上，实现对环境进行实时监控。当感知装置判定某项或多项环境参数达到对用户身体构成危害的限定值时，通过实时在线的无线通信信道发出信号激活运行在手机等移动装置后台的移动终端软件程序，将在手机或移动终端的显示屏上显示何种污染物超标，同时使手机或移动终端发出语音及震动警告。使用户不用承担额外购买硬件的费用，并且用户能够在日常常用的设备上进行实时监控。

参见图5，图5为本发明提供的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置与系统的携带方式示意图。

如图5所示为面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置与系统的三种可能携带方式：携带方式a，面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置(1)粘附在在手机的背面运行，移动终端(2)的硬件设备采用手机，两者通过无线通信方式进行信息交互；携带方式b，面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置(1)放置在随身提包中运行，移动终端(2)的硬件设备采用手机，两者通过无线通信方式进行信息交互；携带方式c，面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置(1)放置在随身口袋中运行，移动终端(2)的硬件设备采用手机，两者通过无线通信方式进行信息交互。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置，其特征在于：包括

MEMS环境传感器(11)包括MEMS甲醛浓度传感模块(111)、MEMS电磁辐射强度传感模块(112)、MEMS一氧化碳浓度传感模块(113)、MEMS甲烷浓度传感模块(114)、MEMS温度传感模块(115)和MEMS湿度传感模块(116)，用于感知环境中的电磁辐射、甲醛、一氧化碳、甲烷危害人体健康的四项项污染物类型和浓强度参数以及温湿度参数；

处理模块(12)，用于将MEMS环境传感器(11)采集的各种参数与预设安全值进行比较，若所检测参数超过预设安全值则发送报警信息；

第一无线模块(13)，用于信息交互；

LED灯组(14)，用于获得处理模块(12)发送的报警信息后进行灯光显示报警；

所述感知装置的封装包括两层结构：第一层为传感层，由MEMS环境传感器(11)构成，第二层为系统层，由外围电路模块(15)、第一无线模块(13)、A/D模块(16)及处理模块(12)在PCB板上封装及布线并将I/O引脚引出构成；

感知装置采用集成封装技术SiP中的3D堆叠结构技术封装而成，放置在用户随身携带的包中、口袋或依附在用户随身携带的第三方设备上。

2.根据权利要求1所述的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置，其特征在于：所述第一无线模块(13)为蓝牙模块或Wi-Fi模块。

3.根据权利要求1所述的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置，其特征在于：所述LED灯组(14)由红、黄、蓝、紫4个LED灯组成，若甲醛浓度超过安全范围，则LED灯的黄灯点亮；若电磁辐射强度超过安全范围，则LED灯的红灯点亮；若一氧化碳浓度超过安全范围，则LED灯的蓝灯点亮；若甲烷浓度超过安全范围，则LED灯的紫灯点亮。

4.一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知系统，其特征在于：包括权利要求1-3任一项所述的面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置(1)，还包括移动终端(2)，该移动终端(2)与所述面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置(1)中的第一无线模块(13)连接。

5.根据权利要求4所述的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知系统，其特征在于，所述移动终端(2)包括：

第二无线模块(21)，用于从第一无线模块(13)处获得甲醛、一氧化碳、甲烷的浓度和电磁辐射强度，同时采用移动互联网技术向指定服务器读取PM2.5值；

查询模块(22)，用于用户主动查询用户所处环境中各项污染物的实时值，从而主动更新显示单元数据；

显示模块(23)，用于显示面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置(1)检测并发送来的用户所处周围中的甲醛浓度、电磁辐射强度、一氧化碳浓度、甲烷浓度和温湿度数值；

报警模块(24)，用于在接收到面向环境健康的无线便携式智能综合感知装置(1)发来的某项或多项浓度值或PM2.5值超过安全值时发出震动报警及语音提示报警。

6.根据权利要求5所述的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知系统，其特征在于：所述第二无线模块(21)包括蓝牙模块或Wi-Fi模块。

7.根据权利要求5所述的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知系统，其特征在于：所述第二无线模块(21)还包括移动通信模块。

8.根据权利要求5-7任一项所述的一种面向环境健康的无线便携式智能综合感知系统，其特征在于：所述移动终端(2)的硬件设备设置在智能终端上。