CN106840254A - 一种特勤人员疗养环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特勤人员疗养环境监测系统，设置有：疗养因子观察站；无线通信模块；上位机；疗养因子分析及数据库系统。本发明的疗养因子观察站能够实时监测疗养院的环境数据，并以无线通讯的方式进行数据交换；疗养因子分析及数据库系统提供环境数据的存储、查询、分析、预警等功能；能够对特定地域进行火灾监测，在发生火灾时能够发出警报，并自动给特定的人员发送短信；疗养因子观察站采用太阳能供电，环保便捷，且能够避免安装过程中对疗养院环境的破坏；疗养因子观察站分为手持式和固定式两种，可以分别满足不同的应用需求，便于后期推广。

Description

一种特勤人员疗养环境监测系统

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，尤其涉及一种特勤人员疗养环境监测系统。

背景技术

环境监测是通过对人类和环境有影响的各种物质的含量、排放量的检测，跟踪环境质量的变化，确定环境质量水平，为环境管理、污染治理等工作提供基础和保证。简单地说，了解环境水平，进行环境监测，是开展一切环境工作的前提。环境监测通常包括背景调查、确定方案、优化布点、现场采样、样品运送、实验分析、数据收集、分析综合等过程。总的来说，就是计划-采样-分析-综合的获得信息的过程。50年代，即早期的环境监测主要采用分析化学的方法对污染物进行分析，但由于环境污染物含量低(通常是ppm或ppb级别)、变化快，实际上是分析化学的发展，被称为污染源监测阶段。从60年代起人们逐渐认识到环境污染不仅包括化学物质的污染，也包括噪声污染；不仅包括污染源的监测，也包括环境背景值的监测，环境监测的范围扩大，手段更多，这个阶段被称作环境监测阶段。进入70年代，环境监测技术进入自动化、计算机化，发达国家相继建立全国性的自动化监测网络，这个阶段被称为自动监测阶段。环境监测的主要手段包括物理手段(对于声、光的监测)，化学手段(各种化学方法，包括重量法，分光光度法等)，生物手段(监测环境变化对生物及生物群落的影响)。按照监测对象，环境监测分为环境质量监测和污染源监测两种。疗养院现在获取环境数据两种方案。一种是每天从当地气象台获取，但是存在一些明显的缺点：首先，气象台提供的数据有限，无法提供负氧离子含量等数据，而负氧离子含量是非常重要的一个疗养因子，是衡量疗养院环境的重要指标；其次，气象台提供的数据是一个大区域的环境概数，而疗养院一般建址于海边或是山区等远离市区的地方，因此气象台提供的环境数据相对于疗养院的地理位置来说不准确(比如：我院建于海边，气温比气象台提供的数据常年低3-4°，湿度常年高15％左右)，而疗养员的疗养活动必须根据疗养院的微环境来决定(疗养员的日常活动一般安排在疗养院院内)；最后，从气象台获取数据不方便，不能够根据需要实时获取。第二种是自己购买监测设备，同样存在一些缺点。首先，市面上的环境监测设备一般只能提供1种环境数据的监测，无法对多种环境数据同时进行监测，而且无法实现数据的存储、汇总、分析等需求；其次，需要人为操作，不便捷。

综上所述，现有的疗养院现在获取环境数据方法存在气象台提供的数据有限，无法提供负氧离子含量等数据，气象台提供的环境数据相对于疗养院的地理位置来说不准确，从气象台获取数据不方便，不能够根据需要实时获取；市面上的环境监测设备只能提供1种环境数据的监测，无法对多种环境数据同时进行监测，而且无法实现数据的存储、汇总、分析等需求；需要人为操作，不便捷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种特勤人员疗养环境监测系统，旨在解决现有的疗养院现在获取环境数据方法存在气象台提供的数据有限，无法提供负氧离子含量等数据，气象台提供的环境数据相对于疗养院的地理位置来说不准确，从气象台获取数据不方便，不能够根据需要实时获取；市面上的环境监测设备只能提供1种环境数据的监测，无法对多种环境数据同时进行监测，而且无法实现数据的存储、汇总、分析等需求；需要人为操作，不便捷的问题。

本发明是这样实现的，一种特勤人员疗养环境监测方法，所述特勤人员疗养环境监测方法包括：获取环境变量，通过对应的传感器转换成对应的电压值，利用模数转换芯片对电压值进行采样，单片机主控电路通过通信接口读取采样的数字量，计算出对应的电压值，并按照公式进一步计算出实际的环境变量；

上位机接收数据后，接口软件会将环境数据存储至SQL server数据库，系统基于该数据库实现查询历史环境数据、提供环境数据的曲线图、根据历史数据，预测未来气候、根据疗养员体检数据，给出疗养因子与体检指标间的相关性；根据历史同一时段的气候数据拟合出一条环境变化曲线，该数据曲线反应了环境数据的变化趋势，根据该变化趋势同时结合此时的环境数据既能得到未来的环境数据；运用数据挖掘中采用AprioriTid算法。

本发明的另一目的在于提供一种所述特勤人员疗养环境监测方法的特勤人员疗养环境监测系统，所述特勤人员疗养环境监测系统包括：

疗养因子观察站，安装在疗养环境中的各个测量点，24小时实时检测疗养环境中的负氧离子、PM2.5、氧气、CO、CO₂、SO₂、风速、风向、湿温度、气压、紫外线、火焰数据；以无线通信的方式进行数据发送；

无线通信模块，与疗养因子观察站无线连接，用于接收疗养因子观察站发送的数据，对数据进行采集、存储后上传至上位机；无线通信模块包括无线发送模块和无线接收模块，无线发送模块位于疗养因子观察站内，无线接收模块通过通信接口与上位机连接；

上位机，与无线通信模块无线连接，用于为疗养因子分析及数据库系统的分析提供平台；

疗养因子分析及数据库系统，在上位机运行，用于提供环境数据的查询与统计功能，直观的反映环境因子的变化；提供曲线分析，相关性分析；并对紫外线强度、氧含量、负氧离子浓度、PM2.5、温度、湿度的环境数据进行预报。

进一步，所述疗养因子观察站包括：阳光采集板，蓄电池；

所述阳光采集板和蓄电池通过导线与环境监测仪连接，蓄电池和环境监测仪通过导线与显示器连接；太阳能电池板通过导线与蓄电池连接。

进一步，所述环境监测仪电路包括：

单片机与无线通信模块的无线发送模块有线通讯，环境变量检测电路与单片机有线连接。

进一步，所述单片机主控电路包括：单片机，与单片机有线连接的串口通信模块、液晶显示模块、数码管显示模块、电源控制模块、实时时钟模块。

进一步，所述环境变量检测电路包括与单片机有线连接的负氧离子测量电路、PM2.5测量电路、氧气测量电路、CO测量电路、CO₂测量电路、SO₂测量电路、风速测量电路、风向测量电路、湿温度测量电路、气压测量电路、紫外线测量电路、火焰测量电路。

进一步，所述无线接收模块及上位机连接；

无线接收模块与无线发送模块无线通讯，无线接收模块与单片机有线连接，单片机与串口通信模块、电源控制模块、实时时钟模块有线连接，串口通信模块、电源控制模块、实时时钟模块通过USB或RS232与疗养因子分析及数据库系统通信。

本发明提供的特勤人员疗养环境监测系统，疗养因子观察站能够实时监测疗养院的环境数据，并以无线通讯的方式进行数据交换；疗养因子分析及数据库系统提供环境数据的存储、查询、分析、预警等功能；能够对特定地域进行火灾监测，在发生火灾时能够发出警报，并自动给特定的人员发送短信；疗养因子观察站采用太阳能供电，环保便捷，且能够避免安装过程中对疗养院环境的破坏；疗养因子观察站分为手持式和固定式两种，固定式的显示屏55寸且包括太阳能板，因此很大很重(150KG)，固定于疗养院院内；手持式的显示屏5.4寸且由锂电池供电，因此小巧(3KG)，适用于疗养员外出时携带，以便随时掌握疗养环境。可以分别满足不同的应用需求，便于后期推广。

本发明能够实现环境监测指标全面、科学，将紫外线强度、氧含量、负氧离子浓度、温度、湿度等13种环境因子的测量集成到一个平台，可以全方位的监测特勤人员的疗养环境；采用无线通信、太阳能供电技术，运用无线自组织网络技术并以太阳能为驱动能量，提高了系统的环境适应能力，且绿色环保；采用小型化，低功耗技术，运用单片机主控、电路板集成、传感器网络等技术，减低了生产成本，提高了系统的自动化与智能化水平，并使设备体积小、功耗低；将既往单一环境测量系统集成至一个系统中，同时采用太阳能供电方式，降低了生产布置及维护成本；利用观察站中主控电路设置好的程序测量环境变量并通过无线通信模块自动发至上位机中进行数据分析，对异常情况及时报警，提高了系统的自动化与智能化水平。采用模块化方式，应用大规模集成电路设计，减小了设备体积，降低了系统功耗。

附图说明

图1是本发明实施例提供的特勤人员疗养环境监测系统结构示意图；

图中：1、疗养因子观察站；2、无线通信模块；3、上位机；4、疗养因子分析及数据库系统。

图2是本发明实施例提供的疗养因子观察站结构示意图。

图3是本发明实施例提供的环境监测仪电路连接示意图。

图4是本发明实施例提供的无线接收模块及上位机连接示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的特勤人员疗养环境监测系统包括：疗养因子观察站1、无线通信模块2、上位机3、疗养因子分析及数据库系统4。

疗养因子观察站1，安装在疗养环境中的各个测量点，由于24小时实时检测疗养环境中的紫外线强度、氧含量、负离子浓度、PM2.5、温度、湿度等环境数据；以无线通信的方式进行数据发送。

无线通信模块2，与疗养因子观察站1无线连接，用于接收疗养因子观察站1发送的数据，对数据进行采集、存储后上传至上位机3。无线通信模块2包括无线发送模块和无线接收模块，无线发送模块位于疗养因子观察站1内，无线接收模块通过通信接口与上位机3连接。

上位机3，与无线通信模块2无线连接，用于为疗养因子分析及数据库系统4的分析提供平台。

疗养因子分析及数据库系统4，在上位机3运行，用于提供环境数据的查询与统计功能，直观的反映环境因子的变化；提供曲线分析，相关性分析等分析功能；并对紫外线强度、氧含量、负氧离子浓度、PM2.5、温度、湿度等环境数据进行预报。

如图2所示，疗养因子观察站1还包括：阳光采集板、太阳能电池板、蓄电池、环境监测仪、显示器。疗养因子观察站1，安装在疗养环境中的各个测量点，24小时实时检测疗养环境中的负氧离子、PM2.5、氧气、CO、CO₂、SO₂、风速、风向、湿温度、气压、紫外线、火焰数据。

阳光采集板和蓄电池通过导线与环境监测仪连接，蓄电池和环境监测仪通过导线与显示器连接；太阳能电池板通过导线与蓄电池连接。

如图3所示，环境监测仪电路的连接示意图；

单片机与无线通信模块2的无线发送模块有线通讯，环境变量检测电路与单片机有线连接。

单片机主控电路包括：单片机，与单片机有线连接的串口通信模块、液晶显示模块、数码管显示模块、电源控制模块、实时时钟模块。

环境变量检测电路包括与单片机有线连接的负氧离子测量电路、PM2.5测量电路、氧气测量电路、CO测量电路、CO₂测量电路、SO₂测量电路、风速测量电路、风向测量电路、湿温度测量电路、气压测量电路、紫外线测量电路、火焰测量电路。

如图4所示，无线接收模块及上位机连接示意图；

无线接收模块与无线发送模块无线通讯，无线接收模块与单片机有线连接，单片机与串口通信模块、电源控制模块、实时时钟模块有线连接，串口通信模块、电源控制模块、实时时钟模块通过USB或RS232与疗养因子分析及数据库系统通信。

本发明的系统由疗养因子观察站、无线通信模块、上位机及疗养因子分析及数据库系统四部分组成；疗养因子观察站采用太阳能供电，分布于各个测量点，能够24小时实时检测紫外线强度、氧含量、负离子浓度、PM2.5、温度、湿度等环境数据。疗养因子观察站以无线通信的方式进行数据发送，经无线通信模块采集后存储上传至上位机。疗养因子分析及数据库系统在上位机运行，提供环境数据的查询与统计功能，能直观的反映环境因子的变化情况，系统还提供曲线分析，相关性分析等分析功能，并能够对紫外线强度、氧含量、负氧离子浓度、PM2.5、温度、湿度等环境数据进行预报。

本发明实施例提供的特勤人员疗养环境监测系统的测量范围包括负氧离子浓度、PM2.5、氧含量、CO、CO₂、SO₂等6种空气成分，以及风速、风向、湿度、温度、紫外线强度、气压、火焰。

装备指标：设计寿命：运行年限≥10年；采样次数≥300000次；误差精度：≤5％；采样频率：1～60次/小时(可以具体设定)；工作环境：温度-20℃～50℃；湿度0～100％RH；主体尺寸：≤200*200*150(mm)。

上位机：硬件环境：X86架构，主频666MHz以上，内存256M以上，硬盘80G以上，显示器17英寸以上，屏幕分辨率推荐使用1280×1024像素以上；软件环境：支持Windows 2000、Windows XP、Windows 7.0。

采用的CO₂、CO、SO₂、O₂都是电化学原理传感器：

原理：固体电解质置于不同气体分压之间，连接金属电极时，在电解质与金属电极界面将发生电极反应，并分别建立起不同的平衡电极电位。显然，由它们构成的电池，其电动势的大小与电解质两侧的气体分压直接相关。

以CO₂传感器为例，对工作原理具体说明：

该传感器由下列固体电池构成：空气，Au|NASICON||碳酸盐|Au,空气，CO₂

(“∣”表示不同物相之间的接界，“‖”表示盐桥，“，”表示同一相中的不同物质)

当传感器置于CO₂气氛中时，将发生以下电极反应：

负极：2Li⁺+CO₂+1/2O₂+2e^-＝Li₂CO₃

正极：2Na⁺+1/2O₂+2e_-＝Na₂O

总电极反应：Li₂CO₃+2Na⁺＝Na₂O+2Li⁺+CO₂

传感器敏感电极与参考电极间的电势差(EMF)符合能斯特方程：EMF＝Ec-(RxT)/(2F)ln(P(CO₂))

上式中：P(CO₂)—CO₂分压Ec—常量R—气体常量T—绝对温度(K)F—法拉第常量

元件加热电压由外电路提供，当其表面温度足够高时，元件相当于一个电池，其两端会输出一电压信号，其值与能斯特方程符合得较好。

计算公式：lgCO₂＝-0.0233*Voltage+10.183(Voltage为CO₂传感器的输出电压)；

因此CO₂含量＝pow(10,lgCO₂)；

氧气含量＝Voltage*100/250(Voltage为O₂传感器的输出电压)；

采用的PM2.5、PM10传感器的工作原理：激光散射法；

原理：激光散射法。即令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，同时在某一特定角度收集散射光，得到散射光强随时间变化的曲线。进而微处理器利用基于米氏(MIE)理论的算法，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量。

该传感器的输出值即为PM2.5、PM10的含量，无需转换。

风速传感器选用的是三杯电涡流式传感器；原理：风杯的转轴为金属齿转盘，感应头由线圈组成。线圈通以高频交流电流，线圈周围产生交变磁通，它通过金属齿形成闭路，金属齿便产生涡流，金属齿除了散热外还产生交变磁通，导致方向相反的交变磁通叠加使线圈的电感量减小而且引起阻抗的变化。当转轴转动时，引起线圈磁通的变化便输出连续的脉冲信号，对脉冲信号进行计数，便可算出转轴转速。

AprioriTid算法是一种被广泛应用的数据挖掘算法，提供数据库D，然后直接调用现成的算法库函数就能实现系统功能，目的是找出影响疗养员健康的环境因子。该数据库包含环境因子数据和疗养员数据两大部分。1环境因子数据由设备提供，疗养员数据从《疗养员管理系统》中得到，数据精确；2，第一次将数据挖掘算法引用到疗养领域。

AprioriTid算法介绍

AprioriTid算法是Apriori算法的改进，从数据库D中产生了频繁集，即强关联规则。

AprioriTid算法的特点是在第一次遍历数据库D之后，就不再使用数据库来计算支持度，而是用集合Ck来完成，因此和Apriori算法相比，效率提高了很多。

集合Ck每个成员的形式为(TID,{Xk})，其中每个Xk都是一个潜在的大型k项集，在标识符为TID的事务中。对于k＝1，C1对应与数据库D，虽然在概念上每个项目i由项目集{l}代替。对于k>1，有算法产生Ck(步骤(10))。与事务T相应的Ck的成员是(t.TID,{c∈Ck|t中包含的c})。若某个事务不包含任何候选k项目集，那么Ck对于这个事务就没有条目(Entry)。这样，Ck中条目数量比数据库中的事务数量少，尤其对于大值的k而言。另外，对于大值的k，每个条目比相应的事务要小，这是因为几乎没有什么候选能包含在此事务中。但是，对于小值的k，每个条目比相应的事务要大，因为Ck中的一个条目包括了此事务中的所有候选k项目集。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种特勤人员疗养环境监测方法，其特征在于，所述特勤人员疗养环境监测方法包括：获取环境变量，通过对应的传感器转换成对应的电压值，利用模数转换芯片对电压值进行采样，单片机主控电路通过通信接口读取采样的数字量，计算出对应的电压值，并按照公式进一步计算出实际的环境变量；

上位机接收数据后，接口软件会将环境数据存储至SQL server数据库，系统基于该数据库实现查询历史环境数据、提供环境数据的曲线图、根据历史数据，预测未来气候、根据疗养员体检数据，给出疗养因子与体检指标间的相关性；根据历史同一时段的气候数据拟合出一条环境变化曲线，该数据曲线反应了环境数据的变化趋势，根据该变化趋势同时结合此时的环境数据既能得到未来的环境数据；运用数据挖掘中采用AprioriTid算法。

2.一种如权利要求1所述特勤人员疗养环境监测方法的特勤人员疗养环境监测系统，其特征在于，所述特勤人员疗养环境监测系统包括：

疗养因子观察站，安装在疗养环境中的各个测量点，24小时实时检测疗养环境中的负氧离子、PM2.5、氧气、CO、CO₂、SO₂、风速、风向、湿温度、气压、紫外线、火焰数据；以无线通信的方式进行数据发送；

无线通信模块，与疗养因子观察站无线连接，用于接收疗养因子观察站发送的数据，对数据进行采集、存储后上传至上位机；无线通信模块包括无线发送模块和无线接收模块，无线发送模块位于疗养因子观察站内，无线接收模块通过通信接口与上位机连接；

上位机，与无线通信模块无线连接，用于为疗养因子分析及数据库系统的分析提供平台；

疗养因子分析及数据库系统，在上位机运行，用于提供环境数据的查询与统计功能，直观的反映环境因子的变化；提供曲线分析，相关性分析；并对紫外线强度、氧含量、负氧离子浓度、PM2.5、温度、湿度的环境数据进行预报。

3.如权利要求2所述的特勤人员疗养环境监测系统，其特征在于，所述疗养因子观察站包括：阳光采集板，蓄电池；

所述阳光采集板和蓄电池通过导线与环境监测仪连接，蓄电池和环境监测仪通过导线与显示器连接；太阳能电池板通过导线与蓄电池连接。

4.如权利要求3所述的特勤人员疗养环境监测系统，其特征在于，所述环境监测仪电路包括：

单片机与无线通信模块的无线发送模块有线通讯，环境变量检测电路与单片机有线连接。

5.如权利要求4所述的特勤人员疗养环境监测系统，其特征在于，所述单片机主控电路包括：单片机，与单片机有线连接的串口通信模块、液晶显示模块、数码管显示模块、电源控制模块、实时时钟模块。

6.如权利要求4所述的特勤人员疗养环境监测系统，其特征在于，所述环境变量检测电路包括与单片机有线连接的负氧离子测量电路、PM2.5测量电路、氧气测量电路、CO测量电路、CO₂测量电路、SO₂测量电路、风速测量电路、风向测量电路、湿温度测量电路、气压测量电路、紫外线测量电路、火焰测量电路。

7.如权利要求2所述的特勤人员疗养环境监测系统，其特征在于，所述无线接收模块及上位机连接；

无线接收模块与无线发送模块无线通讯，无线接收模块与单片机有线连接，单片机与串口通信模块、电源控制模块、实时时钟模块有线连接，串口通信模块、电源控制模块、实时时钟模块通过USB或RS232与疗养因子分析及数据库系统通信。