CN106769888B - 分辨率可调节的多功能智能空气质量检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分辨率可调节的多功能智能空气质量检测系统及检测方法，具有一个或多个空气质量检测装置，以一个主节点或者以一个主节点与一个或多个副节点形式分布于监控区域内，每个空气质量检测装置均具有光敏传感单元、光源单元及外壳，其中，光源单元和光敏传感器单元分别通过螺纹以可调节光柱长度的方式连接于外壳端部两侧；外壳为圆筒状结构，其上设有空气入口。本发明采用大直径透镜，增加了光柱范围中空气的摄入量，提高了装置的检测灵敏度，可以通过改变标尺的长度来改变光柱的长度，进而改变了装置的分辨率，方便数据上传，取代了传统的单点测试，检测结果更加真实有效，扩大了监测区域范围。

Description

分辨率可调节的多功能智能空气质量检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种空气质量智能检测技术，具体地说是一种分辨率可调节的多功能智能空气质量检测系统及检测方法。

背景技术

大气染污是由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境。现代工业化生产使空气污染日益加剧，污染物一进入大气，就会稀释扩散。风越大，大气湍流越强，大气越不稳定，污染物的稀释扩散就越快；反之，则污染物的稀释扩散就慢。在后一种情况下，特别是在出现逆温层时，污染物往往可积聚到很高浓度，造成严重的大气污染事件。降水虽可对大气起净化作用，但因污染物大气污染随雨雪降落，大气污染会转变为水体污染和土壤污染。可见对空气质量的监测对保护人类赖以生存的环境尤为重要。

目前，空气质量监测有很多局限，空气中的烟尘颗粒物浓度和二氧化碳浓度一般采用单点测量，即在一平方米范围内测PM10或PM2.5的浓度值，不能监测所有参数，更无法测得污染源的位置、染污空气漂移方向等，功能单一，检测结果不具代表性，监测的灵敏度低，分辨率差。

同时，原有装置占地面积大，重量大，不能移动，必须使用稳定的市电提供工作电源，能耗高，价格不菲。

发明内容

针对现有技术中空气质量检测装置监测区域小、检测结果不具代表性等不足，本发明要解决的问题是提供一种可监测多种参数、灵敏度高、分辨率高的分辨率可调节的多功能智能空气质量检测系统及检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种分辨率可调节的多功能智能空气质量检测系统，具有一个或多个空气质量检测装置，以一个主节点或者以一个主节点与一个或多个副节点形式分布于监控区域内，做为主节点的空气质量检测装置可以单独使用；做为副节点的空气质量检测装置通过自组网和主节点实现数据通讯，每个空气质量检测装置均具有光敏传感单元、光源单元及外壳，其中，光源单元和光敏传感器单元分别通过螺纹以可调节光柱长度的方式连接于外壳端部两侧；外壳为圆筒状结构，其上设有空气入口。

空气入口为由圆筒状外壳切割形成的马鞍形、方形或圆弧形凹口，空气入口的最深凹入点或最深凹入线设于圆筒状外壳的中心线上。

光源单元包括白光发生器和红外光发生器、第一凸透镜以及第一控制器，白光发生器和红外光发生器集成在一块电路板上，与第一控制器连接，二者的发光点均设于第一凸透镜入射光侧的焦距位置。

做为副节点的光敏传感器单元包括光敏传感模块、无线射频模块、第二控制器以及第二凸透镜，其中，光敏传感模块、无线射频模块以及第二控制器安装于一块无线网络处理板上，无线射频模块接有路由天线；光敏传感模块安装于第二凸透镜输出光侧的焦距位置，其将光信号转换为电信号送至第二控制器进行处理；副节点中无线射频模块将数据经天线上传至主节点中的无线射频模块。

做为主节点的光敏传感器单元是在副节点的光敏传感器单元结构上加设一GPRS模块；主节点中的无线射频模块接收副节点中无线射频模块传来的数据，连同自身数据一同经GPRS模块发送至基站，再由基站上传至服务器。

外壳上设有带分辨率刻度值的标尺，标尺刻度值对应不同的光柱长度。

本发明一种分辨率可调节的多功能智能空气质量检测方法，其特征在于包括以下步骤：

将一个多个空气质量检测装置布置于监控区域内，其中多个空气质量检测装置通过相同的ID形成自组网结构；

启动运行后，空气由空气入口进入外壳内，由安装于外壳一端的光源单元发出光束照射空气，由安装于外壳另一端的光敏传感器单元接收光强数据；

副节点数据传输至主节点，主节点将所有节点数据上传至基站，并进一步上传至服务器进行数据分析，得到空气质量检测结果。

所述数据分析为：

启动装置后，如果光强-时间曲线由稳定后的初始值开始下降，当光强衰变角α为：

1)0°≤α＜30°时，表明该装置所处检测位置具有常态空气质量；

2)30°≤α＜60°时，表明该装置所处检测位置为污染区域；

3)60°≤α＜90°时，表明该装置所处检测位置为污染源。

所述数据分析为：

如果光强-时间曲线下降后开始恢复，当光强恢复角β为：

1)0°≤β＜30°时，表明该装置所处检测位置的风力为微风；

2)30°≤β＜60°时，表明该装置所处检测位置风力为劲风；

3)60°≤β＜90°时，表明该装置所处检测位置的风力为强风。

所述数据分析为：

如果光强-时间曲线随时间变化缓慢，说明当前空气不流通，处于雾霾状态，发出雾霾警告；

或者，如果光强-时间曲线趋于平缓，但是稳定值比初始值小至少5个点时，表明凸透镜上粘染灰尘，提醒用户清理空气质量检测装置。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明采用大直径透镜，增加光柱的体积，即增加了光柱范围中空气的摄入量，从而使得某种检测对象的浓度变化很低时，也能够被敏感地感应到，提高了装置的检测灵敏度。

2.本发明在光源模块与光感模块之间为一个带分辨率刻度值的标尺连接，标尺刻度值(单位：cm)对应着不同的光柱长度，可以通过改变标尺的长度来改变光柱的长度，进而改变了装置的分辨率。

3.本发明装置具有2.4GHz、433MHz、2G、3G、4G的射频模块，其中2.4GHz、433MHz模块具有自组网功能，能够方便地形成分布式网络，实时动态地监测覆盖区域内的空气状况，方便数据上传，取代了传统的单点测试。

4.本发明采用节能结构设计，使得空气无需排风设施就可以自然进出检测区域，一方面降低了能耗，绿色环保，另一方面使得检测样本与自然状况更加贴切，没有经过任何处理，检测结果更加真实有效。

5.本发明体积小、重量轻，可以电池做为工作电源，可在检测区域内灵活布置，扩大了监测区域范围。

附图说明

图1为本发明空气质量检测装置结构示意图；

图2A为本发明中光强-时间曲线中光强衰变角α示意图；

图2B为本发明中光强-时间曲线中光强恢复角β示意图；

图3A为本发明空气质量检测装置光源端电气结构框图；

图3B为本发明空气质量检测装置光源端电气原理图；

图4A为本发明空气质量检测装置主节点光敏传感器端电气结构框图；

图4B为本发明空气质量检测装置光敏传感器端电气原理图；

图4C为本发明空气质量检测装置副节点光敏传感器端电气结构框图；

图5为本发明实施例中空气质量检测装置布置图。

其中，1为光源单元，101为第一凸透镜，102光源供电线，2为外壳，201为标尺，202为空气入口，3为光敏传感器单元，301为第二凸透镜，302为天线。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种分辨率可调节的多功能智能空气质量检测系统，具有一个或多个空气质量检测装置，以一个主节点或者以一个主节点与一个或多个副节点形式分布于监控区域内，做为主节点的空气质量检测装置可以单独使用；做为副节点的空气质量检测装置通过自组网和主节点实现数据通讯，每个空气质量检测装置均具有光源单元1、外壳2及光敏传感器单元3，其中，光源单元1和光敏传感器单元3分别通过螺扣以可调节光柱长度的方式连接于外壳2端部两侧；外壳2为圆筒状结构，其上设有空气入口202。

本实施例中，空气入口202为由圆筒状外壳2切割形成的凹口，空气入口在外壳2的中部正下方，从侧面看，切割线可为为马鞍形、方形或圆弧形凹口，空气入口202的最深凹入点或最深凹入线设于圆筒状外壳的中心线上。外壳2上对应光源单元1和光敏传感器单元3之间的位置处设有带分辨率刻度值的标尺201，标尺刻度值对应不同的光柱长度。

如图3A、3B所示，光源单元1包括白光发生器和红外光发生器、第一凸透镜101以及第一控制器，白光发生器和红外光发生器集成在一块电路板上，与第一控制器连接，二者的发光点均设于第一凸透镜入射光侧的焦距位置。可人为任意控制选择白光或红外光，采取白光检测污染，红外线光检测二氧化碳。

如图4A、4B所示，做为副节点的光敏传感器单元包括光敏传感模块、无线射频模块、第二控制器以及第二凸透镜301，其中，光敏传感模块、无线射频模块以及第二控制器安装于一块无线网络处理板上，无线射频模块接有路由天线；光敏传感模块安装于第二凸透镜301输出光侧的焦距位置，其将光信号转换为电信号送至第二控制器进行处理；副节点中无线射频模块将数据经天线上传至主节点中的无线射频模块。

如图4C所示，做为主节点的光敏传感器单元是在副节点的光敏传感器单元结构上加设一GPRS模块；主节点中的无线射频模块接收副节点中无线射频模块传来的数据，连同自身数据一同经GPRS模块发送至基站，再由基站上传至服务器。

本实施例中，第一、二凸透镜101、301均采用5～9cm的大直径透镜，可增加光柱的体积，即增加了光柱中空气的摄入量，从而使得某种检测对象的浓度变化很低时，也能够被敏感地感应到，提高了装置的检测分辨率。在光源单元与光敏传感器单元之间，由一个带分辨率刻度值的标尺(本实施例设于外壳2上)连接，标尺刻度值(单位：cm)对应着不同的光柱长度，即可以通过改变光源单元与光敏传感器单元在标尺间的距离来改变光柱的长度，进而改变了装置的分辨率。

本发明装置中的无线射频模块可为2.4GHz、433MHz、2G、3G、4G，本实施例采用具有自组网功能的2.4GHz无线射频模块，能够方便地形成分布式网络，实时动态地监测覆盖区域内的空气状况，方便数据上传，取代了传统的单点测试。

本发明装置采用了节能结构设计，使得空气无需排风设施就可以自然进出检测区域，一方面降低了能耗，绿色环保，另一方面使得检测样本与自然状况更加贴切，没有经过任何处理，检测结果更加真实有效。

本发明通过光学理论，在装置两端设置了光源单元1和光敏传感器单元3，利用光穿透介质时，光强的损耗值与空气中待检测物的浓度成线性关系这一特性来检测空气中待检测物的浓度。光源单元1放于第一凸透镜101入光侧焦距处，输出平行柱状光进入外壳2，第二透镜301将平行光聚焦后在光敏传感器单元3的光敏元件处形成点光源，该点光源的光强数值对应出检测物的浓度，即可反应当前空气的质量。

检测烟尘颗粒浓度采用白色光，检测二氧化碳浓度采用红外线。

本发明分辨率可调节的多功能智能空气质量检测方法，步骤为：

将一个或多个空气质量检测装置布置于监控区域内，其中多个空气质量检测装置通过相同的ID形成自组网结构；

启动运行后，空气由空气入口进入外壳内，由安装于外壳一端的光源单元发出光束照射空气，由安装于外壳另一端的光敏传感器单元接收光强数据；

副节点数据传输至主节点，主节点将所有节点数据上传至基站，并进一步上传至服务器进行数据分析，得到空气质量检测结果。

本实施例将监控区域设计为100×100mm阴凉干燥的室外区域的非风口位置，采用7个空气质量检测装置在上述区域内分布式放置，如图5所示，以布设于中心位置的1号装置做为主节点，其他2～6号装置做为副节点，径向均布于1号装置圆周上，形成正六边形，各装置空气入口202朝下，按要求调整好第一、二凸透镜的间距，选择、确定检测的分辨率。

正六边形中，1号装置不仅具有检测污染的功能，还可以将数据发送到基站，其他周围节点只具有检测污染的能力，与1号装置组成无线网络，把数据发给1号装置进行处理后统一发到基站。

启动装置后，如果光强-时间曲线由稳定后的初始值开始下降，当光强衰变角α(如图2A所示)为：

1)0°≤α＜30°时，表明该装置所处检测位置具有常态空气质量；

2)30°≤α＜60°时，表明该装置所处检测位置为污染区域；

3)60°≤α＜90°时，表明该装置所处检测位置为污染源。

如果光强-时间曲线下降后开始恢复，当光强恢复角β(如图2B所示)为：

1)0°≤β＜30°时，表明该装置所处检测位置具有微风；

2)30°≤β＜60°时，表明该装置所处检测位置风力为中等强度的劲风；

3)60°≤β＜90°时，表明该装置所处检测位置具有强风。

如果光强-时间曲线随时间变化缓慢，说明当前空气不流通，处于雾霾状态，发出雾霾警告；

或者，如果光强-时间曲线趋于平缓，但是当稳定值比初始值小至少5个点时(5％)，表明凸透镜上粘染灰尘，提醒用户清理空气质量检测装置。

检测烟尘颗粒浓度采用白色光，检测二氧化碳浓度采用红外线，可以人工控制切换。

当光强-时间曲线由水平稳定的初始状态开始剧烈下降时，表明灰尘来了，下降越剧烈说明离污染源越近，通过拟合(用最小二乘法)污染之后的曲线计算(采用斜率公式)光强衰变角α可以找到污染源。光强衰变角α为光强数据下降时的曲线(具有斜率的直线)原初始状态的曲线(水平线)之间的夹角，0°≤α＜90°。

光强数据开始快速上升时，通过光强恢复角β的变化大小可以判断为有风吹来，灰尘即将散去。在不同位置放置光强传感器，通过灰尘浓度和光强的关系可以得知风移动的方向(要多个装置配合进行)，风把灰吹起来的情况。采用多点检测法判断，如东西南北四个方向当北侧装置最后发生数据变化，风是从其他三个方向吹来。

灰尘的颗粒大小不同，大颗粒的灰尘落下的速度快，曲线变化也快，小颗粒的灰尘落下的速度缓慢，曲线变化也会很慢，以此可以初步判断出空气中灰尘颗粒的大小及占总体的百分比含量。大颗粒是指PM10以上的颗粒，小颗粒是指PM10以下的颗粒。

Claims (4)

1.一种分辨率可调节的多功能智能空气质量检测系统，其特征在于：具有一个或多个空气质量检测装置，以一个主节点或者以一个主节点与一个或多个副节点形式分布于监控区域内，做为主节点的空气质量检测装置可以单独使用；做为副节点的空气质量检测装置通过自组网和主节点实现数据通讯，每个空气质量检测装置均具有光敏传感单元、光源单元及外壳，其中，光源单元和光敏传感器单元分别通过螺纹以可调节光柱长度的方式连接于外壳端部两侧；外壳为圆筒状结构，其上设有空气入口；

做为副节点的光敏传感器单元包括光敏传感模块、无线射频模块、第二控制器以及第二凸透镜，其中，光敏传感模块、无线射频模块以及第二控制器安装于一块无线网络处理板上，无线射频模块接有路由天线；光敏传感模块安装于第二凸透镜输出光侧的焦距位置，其将光信号转换为电信号送至第二控制器进行处理；副节点中无线射频模块将数据经天线上传至主节点中的无线射频模块；

做为主节点的光敏传感器单元是在副节点的光敏传感器单元结构上加设一GPRS模块；主节点中的无线射频模块接收副节点中无线射频模块传来的数据，连同自身数据一同经GPRS模块发送至基站，再由基站上传至服务器；

第一、二凸透镜101、301均采用5~9cm的大直径透镜；

空气入口为由圆筒状外壳切割形成的马鞍形、方形或圆弧形凹口，空气入口的最深凹入点或最深凹入线设于圆筒状外壳的中心线上；

外壳上设有带分辨率刻度值的标尺，标尺刻度值对应不同的光柱长度。

2.按权利要求1所述的分辨率可调节的多功能智能空气质量检测系统，其特征在于：光源单元包括白光发生器和红外光发生器、第一凸透镜以及第一控制器，白光发生器和红外光发生器集成在一块电路板上，与第一控制器连接，二者的发光点均设于第一凸透镜入射光侧的焦距位置。

3.一种分辨率可调节的多功能智能空气质量检测方法，其特征在于包括以下步骤：

将一个多个空气质量检测装置布置于监控区域内，其中多个空气质量检测装置通过相同的ID形成自组网结构；

启动运行后，空气由空气入口进入外壳内，由安装于外壳一端的光源单元发出光束照射空气，由安装于外壳另一端的光敏传感器单元接收光强数据；

副节点数据传输至主节点，主节点将所有节点数据上传至基站，并进一步上传至服务器进行数据分析，得到空气质量检测结果；

启动装置后，如果光强-时间曲线中的光强由稳定后的初始值开始下降，当光强衰变角α为：

1）0°≤α＜30°时，表明该装置所处检测位置具有常态空气质量；

2）30°≤α＜60°时，表明该装置所处检测位置为污染区域；

3）60°≤α＜90°时，表明该装置所处检测位置为污染源；

如果光强-时间曲线下降后开始恢复，当光强恢复角β为：

1）0°≤β＜30°时，表明该装置所处检测位置的风力为微风；

2）30°≤β＜60°时，表明该装置所处检测位置风力为劲风；

3）60°≤β＜90°时，表明该装置所处检测位置的风力为强风。

4.按权利要求3所述的分辨率可调节的多功能智能空气质量检测方法，其特征在于所述数据分析为：

如果光强-时间曲线中的光强随时间变化缓慢，说明当前空气不流通，处于雾霾状态，发出雾霾警告；

或者，如果光强-时间曲线趋于平缓，但是稳定值比初始值小至少5个点时，表明凸透镜上粘染灰尘，提醒用户清理空气质量检测装置。

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