CN106124699A - 一种智能空气质量实时评价装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能空气质量实时评价装置及其控制方法，该装置包括：感知单元、主控制单元、空气质量指示单元及电源单元，其中，主控制单元与感知单元相连；空气质量指示单元与主控制单元相连；电源单元分别与主控制单元及空气质量指示单元相连。该方法包括：感知单元感知空气质量数据，并传输到主控制单元；主控制单元对空气质量数据进行处理分析，得到空气质量等级；主控制单元根据空气质量等级，控制空气质量等级指示单元以不同颜色指示不同的空气质量等级。本发明的智能空气质量实时评价装置及其控制方法，可以安放在城市中的公共空间内，无需客户端硬件和软件支持，能根据周边环境实时地、准确地、一目了然地显示空气质量信息。

Description

一种智能空气质量实时评价装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及空气质量评价技术领域，特别涉及一种智能空气质量实时评价装置及其控制方法。

背景技术

空气质量问题日益突出，人们对于自身生存的环境质量也愈发重视，其中对于空气质量的关注便是其中最为突出的之一。生活中人们要户外活动，又要注重健康的作息时间，但对自己身边小范围内的空气质量却一无所知，尤其是实时的空气质量。目前小范围区域内空气质量没有实时性预报装置，告知人们是否适宜户外活动，这对人们的健康生活和作息造成了一定程度上的不便。

现有的空气质量评价与预测都是针对城市的大片区域(区级别)，却没有针对城市空间小范围区域的实时评价装置与方法。

现有的传统空气质量评价方法不能很好适应目前国家实施的空气质量新标准评价，鲁棒性较差，对于噪声数据的适应能力很差。

此外，现有的城市空气质量评价装置大多归于气象和环保部门管理，不能及时有效地将局部小区域空气质量状况信息发布到客户端，而且必须要有客户终端硬件和软件支持，对于公众来说很不方便。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种智能空气质量实时评价装置及其控制方法，该装置可以安放在城市中的公共空间内，能根据周边环境实时地、准确地、一目了然地显示空气质量信息，可以针对城市空间小范围区域的空气质量进行实时评价，并且公众无需靠客户终端硬件和软件支持，即可方便快捷地获知该区域空气质量信息，非常方便。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种智能空气质量实时评价装置，其包括：感知单元、主控制单元、空气质量指示单元以及电源单元，其中，

所述感知单元包括：传感器感知电路，所述传感器感知电路上设置有传感器，用于感知空气质量数据；

所述主控制单元与所述感知单元相连，用于接收所述感知单元感知的空气质量数据，并根据其中存储的空气质量评价模型及所述空气质量数据将空气质量分为不同的空气质量等级；

所述空气质量指示单元与所述主控制单元相连，用于指示空气质量等级，以不同的颜色表示不同的空气质量等级；

所述电源单元分别与所述主控制单元以及所述空气质量指示单元相连，用于为所述主控制单元以及所述空气质量指示单元供电。

较佳地，还包括：显示器，所述显示器与所述主控制单元相连，用于实时显示空气质量数据。

较佳地，红外传感器，所述红外传感器与所述主控制单元相连，用于感知是否有人靠近，当有人靠近时，通过所述主控制单元控制所述显示器打开，当无人靠近时，通过所述主控制单元控制所述显示器关闭，既能方便人们直观地查看，又能节约能量。

较佳地，还包括：通信单元，所述通信单元与所述主控制单元相连，用于将所述空气质量数据上传到本地和/或对所述空气质量评价模型进行更新；进一步地，

所述通信单元包括无线射频天线及其控制电路。评价装置周围的空气质量数据是变化的，如果空气质量数据跟空气质量评价模型相差太多时评价就不准确，因此，定时根据最新的空气质量数据建立新的空气质量评价模型，并将其更新到评价装置中，评价更准确可靠。

较佳地，所述传感器感知电路包括：常驻传感器区域以及可扩展传感器区域，常驻传感器区域设置常用的传感器，可扩展传感器区域可以根据需要设置特殊的传感器。

较佳地，还包括：装置外壳，所述感知单元以及所述空气质量指示单元突出设置在所述装置外壳的顶部；

所述主控制单元以及所述电源单元设置在所述装置外壳的内部；进一步地，

所述装置外壳上设置有第一通风孔，当所述装置外壳内的温度低于预设温度时，所述第一通风孔关闭，当所述装置外壳内的温度高于所述预设温度时，所述主控制单元控制所述第一通风孔打开，以散热，防止装置外壳内温度过高造成系统故障。

较佳地，所述感知单元还包括：感知单元外壳，所述传感器感知电路以及所述传感器设置在所述感知单元外壳中；

所述感知单元外壳上设置有第二通风孔。

较佳地，所述第二通风孔设置在所述感知单元外壳的侧面和/或底部，这种结构布局可以防止雨雪天气雨水的侵入可能对传感器电路造成损伤的问题。

本发明还提供一种智能控制质量实时评价装置的控制方法，其包括以下步骤：

S11：感知单元感知空气质量数据，并将所述空气质量数据传输到主控制单元；

S12：所述主控制单元根据其中存储的空气质量评价模型对所述空气质量数据进行处理分析，得到空气质量等级；

S13：所述主控制单元根据所述空气质量等级，控制所述空气质量等级指示单元以不同颜色指示不同的所述空气质量等级。

较佳地，所述步骤S12和步骤S13之间或所述步骤S13之后还包括：

S14：所述主控制单元控制显示器将所述空气质量数据显示在所述显示器上；

进一步地，所述步骤S14具体包括：当红外传感器感测到所述显示器前方有人时，所述主控制单元控制所述显示器打开，且显示所述空气质量数据；当所述红外传感器未感测到显示器前方有人时，所述主控制单元控制所述显示器关闭。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的智能空气质量实时评价装置及其控制方法可以便捷地安防在城市中的公共空间内，能根据周边环境实时地、准确地、一目了然地显示小范围内的空气质量信息，可以满足人们对当前所在小范围区域内空气质量知情和健康作息的需要；

(2)现有的城市空气质量评价装置大多归于气象和环保部分管理，不能及时有效地将局部小区域的空气质量状况发布到客户端，而且必须有客户端硬件和软件支持，对于公众来说极不方便，本发明的评价装置无需客户端硬件和软件支持，极大地方便了用户的使用，且实时显示无等候，针对当前的实时采集数据进行评价，实时性强，更为重要的是比较直观，人们可以一目了然地根据空气质量等级指示单元显示的结果，知晓当前空气质量状况；

(3)评价客观、准确率高，对噪声数据不敏感，评价方法鲁棒性强。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明的实施例1的智能空气质量实时评价装置的示意图；

图2为发明的实施例1的智能空气质量实时评价装置的结构示意图；

图3为本发明的实施例2的智能空气质量实时评价装置的示意图；

图4为本发明的实施例3的智能空气质量实时评价装置的示意图；

图5为图4的侧视图；

图6为图4的俯视图；

图7为图4的剖视图；

图8为本发明的实施例的感知触角的剖视图。

标号说明：1-感知单元，2-主控制单元，3-空气质量指示单元，4-电源单元，5-装置外壳，6-显示器，7-红外传感器，8-通信单元；

11-感知单元外壳，12-传感器感知电路；

111-第二通风孔。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

结合图1，本实施例对本发明的智能空气质量实时评价装置进行详细描述，其结构框图如图1所示，其包括：感知单元1、主控制单元2、空气质量指示单元3以及电源单元4，其中，感知单元1包括：传感器感知电路12，传感器感知电路12上设置有传感器，用于感知空气质量数据；主控制单元2与感知单元1相连，用于接收感知单元1感知的空气质量数据，并根据空气质量数据将空气质量分为不同的空气质量等级；空气质量指示单元3与主控制单元相连，用于指示空气质量等级，以不同的颜色表示不同的空气质量等级，如表1所示；电源单元4分别与感知单元、主控制单元以及空气质量指示单元相连，用于为感知单元、主控制单元以及空气质量指示单元供电。

表1

本实施例中，还包括：装置外壳5，如图2所示，感知单元1以及控制质量指示单元3突出设置在装置外壳5的顶部，主控制单元2以及电源单元4设置在装置外壳5的内部，本实施例中，感知单元1包括两个，两个感知单元1平均分布在两侧，这一检测范围更广，评价更准确。为了是传感器不受外界的影响，感知单元1还包括感知单元外壳11，感知单元外壳11上设置有第二通风孔111，且为了防止下雨天雨水进入感知单元外壳11中，对传感器感知电路以及传感器造成影响，将第二通风孔111设置在感知单元外壳11的侧面和底部。

不同实施例中，感知单元1页可以设置一个，或者设置两个以上。

较佳实施例中，装置外壳5上设置有第一通风孔，且第一通风孔与主控制单元相连，第一通风孔的开启和闭合由主控制单元根据装置外壳内的温度控制，如装置外壳内的温度高于50℃时，主控制单元控制第一通风孔打开以散热，当低于50℃时，主控制单元控制第一通风孔关闭。

较佳实施例中，传感器感知单路上包括常驻传感器区域以及可扩展传感器区域，常驻传感器区域用于设置常规的传感器，如：内置颗粒物(PM2.5)传感器、可吸入颗粒物(PM10)传感器、二氧化硫(SO₂)传感器、二氧化氮(NO₂)传感器、臭氧(O₃)传感器以及一氧化碳(CO)传感器等，可扩展区域用于根据不同场合的特殊需要设置特殊的传感器，如二氧化碳(CO₂)传感器等。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上增加了显示器6以及红外传感器7，显示器6以及红外传感器7分别与主控制单元2相连，显示器6突出设置在装置外壳1的前端，红外传感器7设置在显示器6的周围，用于感应显示器6的前面是否有人，当有人时，通过主控制单元2控制显示器6打开，显示空气质量数据，当无人时，通过主控制单元2控制显示器6关闭，以节省能源。

不同实施例中，也可只设置显示器6，显示器6一直处于打开状态，实时显示空气质量数据。

实施例3：

本实施例是在实施例2的基础上增加了通信单元8，通信单元8与主控制单元2相连，用于与外界进行通信(如可以将空气质量数据传输到其他接收装置或移动终端进行保存和处理)，方便了数据的管理。通信单元8可以包括：无线射频天线及其控制电路。

通信单元也可在实施例1的基础上进行增加，此处不再赘述。

实施例4：

本实施例对本发明的智能空气质量实时评价装置的控制方法进行详细描述，其是采用实施例1的评价装置实现的控制方法，其包括以下步骤：

S11：感知单元感知空气质量数据，并将空气质量数据传输到主控制单元；

S12：主控制单元根据其中存储的空气质量评价模型对空气质量数据进行处理分析，得到空气质量等级；

S13：主控制单元根据空气质量等级，控制空气质量等级指示单元以不同颜色指示不同的空气质量等级。

其中，步骤S12中对空气质量数据进行处理可以基于随机森林模型，，具体做法为：输入一定数量的训练样本，这些训练样本主要由城市环境空气质量的评价因子的浓度值和城市环境空气质量等级构成，然后训练随机森林，使它不断学习到决策树中每个节点的分裂属性和分裂方法，建立城市环境空气质量评价因子与城市环境空气质量等级之间内在的映射关系，经过随机特征的个数、决策树的个数、随机种子以及树的深度的设定，使得袋外数据误差估计最小，生成空气质量评价模型，给定测试样本，应用训练好的随机森林评价模型决策出城市环境空气质量的等级，给以准确的评价结果。基于随机森林的空气质量评价方法对训练样本不进行预处理，这样不仅减少计算量、节约时间，而且同时提高计算速度。根据装置采集的空气质量数据训练新的随机森林模型的步骤如下：

M101：从历史空气质量数据中有放回抽样，抽样方式为booststrap采样，这样采样m次形成一个样本训练集Di，作为训练随机森林模型中的一棵基决策树Ti的训练数据集；六种空气污染物的浓度指标作为属性集A{a1，a2，a3，a4，a5，a6}；对应于空气质量指数等级，分类类别共有六种；

M102：由样本训练集Di生成根结点Node；

M103：如果训练集Di中全属于同一空气质量指数(AQI)等级类别，则将Node标记为该类叶子节点；

M104：如果属性集为空或训练集Di在A属性集上取值相同，则将Node标记为叶子节点，其类别标记为Di中样本量最大的类别；

M105：从属性集合A中选择随机选择一个包含3个属性的子集，并从该子集中选择一个最优属性用于节点分裂，分裂属性以基尼指数(Gini Index)为标准，选取基尼指数最小的最优划分属性，即最优属性a*满足

其中p_k为第k类样本在训练集Di中所占据的比例，|D_i ⁿ|表示离散属性a对样本集Di进行分类时，其3种取值中第i中取值的样本数量，|D_i|为样本集Di的总体数量。

M106：对于a*中每一个取值为Node生成一个分支结点，如果该样本子集为空则将该分支结点标记为叶子结点，类别标记为Di中样本数量最多的类别；否则以该样本子集为分支节点重复M102至M106的步骤直至完成所有分支伸展，形成以Node为根结点的一棵决策树。

M107：重复M101至M106步骤Mtree次形成Mtree棵基决策树；

M108：将基决策树以绝对多数投票方式结合起来，形成随机森林模型。

M109：以总体样本中抽样剩余数据(Out of Bag)作为对形成的随机森林模型的检验，如果包外估计(Out-of-bag estimate)的20次分类准确率均值大于等于98％则采用该模型作为今天实时空气质量评价的模型，否则舍弃，重新训练模型，即重复M101至M109的步骤直至满足停止条件。

当日新型空气质量评价模型的训练基于以上步骤，一般情况下为了节省评价装置的能量，可以选择在上级终端训练好模型之后，及时更新到评价装置；由于每个评价装置所处环境不同，故而其采集到的空气质量数据特点也有所差别，因此，每个评价装置的评价模型也不同，都是根据各个装置自身收集的历史空气质量数据训练而成的随机森林模型。

主控制单元评价空气质量的(方法)具体步骤如下：

M201：从感知单元读入实时空气质量数据；

M202：将实时空气质量数据交由每棵基决策树分类，并记录每棵基决策树的分类结果；

M203：以绝对多数投票原则生成评价结果，即以票数最多的分类结果作为输出。

M204：输出评价等级结果。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种智能空气质量实时评价装置，其特征在于，包括：感知单元、主控制单元、空气质量指示单元以及电源单元，其中，

所述感知单元包括：传感器感知电路，所述传感器感知电路上设置有传感器，用于感知空气质量数据；

所述主控制单元与所述感知单元相连，用于接收所述感知单元感知的空气质量数据，并根据其中存储的空气质量评价模型及所述空气质量数据将空气质量分为不同的空气质量等级；

所述空气质量指示单元与所述主控制单元相连，用于指示空气质量等级，以不同的颜色表示不同的空气质量等级；

所述电源单元分别与所述主控制单元以及所述空气质量指示单元相连，用于为所述主控制单元以及所述空气质量指示单元供电。

2.根据权利要求1所述的智能空气质量实时评价装置，其特征在于，还包括：显示器，所述显示器与所述主控制单元相连，用于实时显示空气质量数据。

3.根据权利要求2所述的智能空气质量实时评价装置，其特征在于，红外传感器，所述红外传感器与所述主控制单元相连，用于感知是否有人靠近，当有人靠近时，通过所述主控制单元控制所述显示器打开，当无人靠近时，通过所述主控制单元控制所述显示器关闭。

4.根据权利要求1所述的智能空气质量实时评价装置，其特征在于，还包括：通信单元，所述通信单元与所述主控制单元相连，用于将所述空气质量数据上传到本地和/或对所述空气质量评价模型进行更新；进一步地，

所述通信单元包括无线射频天线及其控制电路。

5.根据权利要求1所述的智能空气质量实时评价装置，其特征在于，所述传感器感知电路包括：常驻传感器区域以及可扩展传感器区域。

6.根据权利要求1所述的智能空气质量实时评价装置，其特征在于，还包括：装置外壳，所述感知单元以及所述空气质量指示单元突出设置在所述装置外壳的顶部；

所述主控制单元以及所述电源单元设置在所述装置外壳的内部；进一步地，

所述装置外壳上设置有第一通风孔，当所述装置外壳内的温度低于预设温度时，所述第一通风孔关闭，当所述装置外壳内的温度高于所述预设温度时，所述主控制单元控制所述第一通风孔打开，以散热。

7.根据权利要求1所述的智能空气质量实时评价装置，其特征在于，所述感知单元还包括：感知单元外壳，所述传感器感知电路以及所述传感器设置在所述感知单元外壳中；

所述感知单元外壳上设置有第二通风孔。

8.根据权利要求7所述的智能空气质量实时评价装置，其特征在于，所述第二通风孔设置在所述感知单元外壳的侧面和/或底部。

9.一种智能空气质量实时评价装置的控制器方法，其特征在于，包括以下步骤：

S11：感知单元感知空气质量数据，并将所述空气质量数据传输到主控制单元；

S12：所述主控制单元根据其中存储的空气质量评价模型对所述空气质量数据进行处理分析，得到空气质量等级；

S13：所述主控制单元根据所述空气质量等级，控制所述空气质量等级指示单元以不同颜色指示不同的所述空气质量等级。

10.根据权利要求9所述的智能空气质量实时评价装置的控制器方法，其特征在于，所述步骤S12和步骤S13之间或所述步骤S13之后还包括：

S14：所述主控制单元控制显示器将所述空气质量数据显示在所述显示器上；

进一步地，所述步骤S14具体包括：当红外传感器感测到所述显示器前方有人时，所述主控制单元控制所述显示器打开，且显示所述空气质量数据；当所述红外传感器未感测到显示器前方有人时，所述主控制单元控制所述显示器关闭。