CN108593840A - 一种空气质量监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气质量监测装置，其包括采用气室、空气质量传感器、数据采集单元、微控制器、存储模块、过滤器和换气模块，其中，在气室上设置有进气窗，过滤器设置在进气窗以过滤进入气室内的空气中的颗粒物；空气质量传感器设置于气室内，用于监测空气中的污染物以获得监测信号；数据采集单元用于采集空气质量传感器的监测信号；微控制器用于分析数据采集单元采集的监测信号，以获得空气质量数据；存储模块用于存储数据采集单元采集的监测信号以及微控制器获得的空气质量数据；换气模块设置在气室外，并换气模块的出风位置与进气窗相对。该监测装置可以精确、实时地获得车厢内的空气质量。
Description
技术领域
本发明涉及空气净化技术领域，具体涉及一种空气质量监测装置。
背景技术
铁路、地铁和电车是现代社会的重要交通工具。在制造铁路、地铁和电车的车厢时不可避免地使用塑料、橡胶、环氧树脂、胶水、涂料和密封胶等材料，这些材料中均含有大量的如苯、甲醛以及易挥发的有机化合物(VOCs)等有害物质。
当车厢内的通风条件较好时，挥发的有害物质容易排出，车厢内有害气体的浓度较低，对乘客的健康影响较低。然而，对于现代高速列车，考虑列车运行安全、降低列车阻力以及保持车厢内温度，车厢常处于封闭状态，有害物质无法及时消散，车厢内苯、甲醛和其他挥发性有机化合物等有害气体浓度较高，乘客容易出现恶心、头晕，甚至导致更严重的疾病，如癌症和骨髓衰竭，此外，车厢内的细颗粒物(PM2.5)的密度也严重危害乘客的健康。
然而，当前的封闭车厢内仅安装烟雾探测器和火灾报警器等监测装置，没有安装监测空气质量的传感器，无法获知车厢内有害物质的浓度。更重要的是，即使在车厢内设置监测空气质量的传感器，但空气中存在的各种杂质严重影响传感器的监测精度。而且，由于车厢内空气流通速度受限，以及有害物质的源头相对集中，导致传感器的测量结果不能正确反应车厢内有害物质的浓度，容易导致误判断，给乘客的健康造成潜在的威胁。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在线实时空气质量监测装置，用以解决现有无法准确获得封闭车厢内空气质量的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为提供一种空气质量监测装置，所述监测装置包括采用气室、空气质量传感器、数据采集单元、微控制器、存储模块、过滤器和换气模块；其中，
在所述气室上设置有进气窗，所述过滤器设置在所述进气窗以过滤进入所述气室内的空气中的颗粒物；
所述空气质量传感器设置于所述气室内，用于监测空气中的污染物以获得监测信号；
所述数据采集单元用于采集所述空气质量传感器的监测信号；
所述微控制器用于分析所述数据采集单元采集的所述监测信号，以获得空气质量数据；
所述存储模块用于存储所述数据采集单元采集的所述监测信号以及所述微控制器获得的所述空气质量数据；
所述换气模块设置在所述气室外，并所述换气模块的出风位置与所述进气窗相对。
其中，所述空气质量传感器包括光电离检测器、电化学气体传感器、红外传感器、半导体传感器、催化剂传感器中的一种或多种。
其中，所述空气质量数据包括污染物的种类及浓度。
其中，所述换气模块为气泵或风扇。
其中，所述数据采集单元包括放大电路、滤波电路和A/D转换电路，所述放大电路用于放大所述空气质量传感器获得的监测信号，所述滤波电路用于对放大的所述监测信号进行过滤，所述A/D转换电路用于将过滤后的所述监测信号转化为数字信号，并将所述数字信号发送至所述微控制器。
其中，所述监测装置还包括通讯模块，所述通讯模块用于所述微处理器与远程控制台之间的通讯。
其中，所述通讯模块包括以太网、CAN总线、RS485、RS232、USB、Wi-Fi、ZigBee或移动数据中的一种或多种。
优选地，所述监测装置还包括地址模块，所述地址模块用于提供所述监测装置的详细位置，所述地址模块为MAC地址模块、IP地址模块或RFID地址模块。
优选地，所述监测装置还包括空气质量控制单元，所述空气质量控制单元通过光催化剂方式改善空气质量。
优选地，所述监测装置还包括显示器、报警器和/或备用电源；其中，
所述显示器电连接所述微处理器，用于显示所述空气质量数据；
所述报警器电连接所述微处理器，用于执行所述微处理器的报警信息；
所述备用电源用于为所述监测装置提供备用电能。
本发明具有如下优点：
本发明提供的空气质量监测装置，将空气质量传感器设置在气室内，并通过过滤器过滤进入气室内的空气，以降低空气中的颗粒物等杂质对空气质量传感器测量精度的影响；而且，在气室的外侧且与过滤器的相对位置处设置换气模块，以加快空气的流动速度，使进入气室内的空气更能反应车厢内总体空气质量，数据采集单元收集空气质量传感器获得的监测信号，并将该监测信号传输至微控制器，微控制器依据该监测信号获得空气质量数据。该监测装置能够准确获得空气质量数据，从而为改善车厢内空气质量提供准确的数据。
附图说明
图1为本发明实施例提供的空气质量监测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的空气质量监测装置中数据采集单元的原理框图；
图3为本发明实施例提供的空气质量监测装置中通讯模块的工作原理图。
附图标号：1-气室，11-进气窗，2-空气质量传感器，3-数据采集单元，31-放大电路，32-滤波电路，33-A/D转换电路，4-微控制器，5-存储模块，6-过滤器，7-换气模块，8-电源模块，9-通信模块，101-显示器，102-报警器，103-备用电源，104-空气质量控制单元。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的空气质量监测装置包括采用气室1、空气质量传感器2、数据采集单元3、微控制器4、存储模块5、过滤器6、换气模块7和电源模块8。
其中，在气室1上设置有进气窗11，进气窗11设置在气室1的侧壁上，当然，进气窗11也可以根据情况设置在气室1的顶端或底端。过滤器6设置在进气窗11内以过滤进入气室1内的空气中的灰尘等颗粒物。过滤器6的位置根据气流的流向设置在气流进入气室1的位置，比如右边或者上边。
空气质量传感器2设置于气室1内，用于监测空气中的污染物以获得监测信号。空气质量传感器2包括光电离检测器、电化学气体传感器、红外传感器、半导体传感器、催化剂传感器中的一种或多种，以测量空气中一种或多种污染物，如苯、甲醛、挥发性有机化合物或其他有害气体。这些空气质量传感器2均可以采用市场上出售的空气质量传感器。
当空气质量传感器2为光电离检测器，在气室1内可以对被测量的空气以进行特殊处理。例如，当空气质量传感器2是光电离检测器(PID)时，使用紫外线(UV)灯将高能量光子发射到气室1内，紫外线灯可以是10.6eV、11.7eV或其他类型的紫外线灯。具体地，当空气进入气室1内时，空气中的有机化合物被高能量的紫外线光子冲击，并在吸收紫外线光子后被电离，引起电子喷射并形成带正电荷的离子。离子产生的电流被用于监测空气质量。
当空气质量传感器2是电化学气体传感器时，被测量的空气扩散至传感器内，并在工作电极中被氧化，即发生电化学反应并产生电流，检测该电流可以获得空气质量。
需要说明的是，在本实施例中，监测装置采用不同类型的空气质量传感器来检测不同类型的气体，而且在气室1内可以单独封装一个空气质量传感器2，也可以将多个空气质量传感器2封装在一个气室1内。
数据采集单元3用于采集空气质量传感器2的监测信号；数据采集模块3从空气质量传感器2中接收信号，这些信号常是模拟信号，需要将其转换成数字信号后才能被微控制器4处理。
如图2所示，数据采集单元3包括放大电路31、滤波电路32和A/D转换电路33。其中，放大电路31与空气质量传感器2的信号输出端电连接，其用于放大空气质量传感器2获得的监测信号(监测信号是电压信号)，增加监测信号的电平；或者，放大电路31将空气质量传感器2获得的监测信号放大到A/D转换电路33期望的电平；或者，放大电路31的增益可调整，能对监测信号的测量水平进行调节，从而实现不同气体水平地测量。
滤波电路32是一个可选电路，其用于对放大的监测信号进行过滤，用以去除不需要的电噪声。滤波电路32可以采用高通滤波器、低通滤波器或带通滤波器。
A/D转换电路33用于将过滤后的监测信号转化为数字信号，以满足微控制器4的要求，并将数字信号发送至微控制器4。优选地，A/D转换器33前的抗混叠滤波器能对信号进行进一步过滤，以去除高频噪声。
在本实施例中，微控制器4用于分析、计算数据采集单元3采集的监测信号，以获得空气质量数据，包括气体类型和密度等。
优选地，微控制器4通过校准获得基准气体数据，并通过将新数据与基准数据进行比较来计算气体密度。微控制器4还可以用于控制空气质量传感器2的开闭以及控制数据采集模块3的采集对象。微控制器4还可以用于配置A/D转换器33的参数，包括A/D转换器33的采样率、输入范围和数量样本。当使用可调增益放大器调整模拟信号放大级别时，微控制器4也可以控制放大电路31。
存储模块5用于存储数据采集单元3采集的空气质量传感器2监测到的监测信号、微控制器4计算得到的空气质量数据以及校准数据。存储模块5还可以用于储存监测装置的编号。
换气模块7设置在气室1外，并且换气模块7的出风位置与进气窗11的位置相对。换气模块7可以将空气吸引至气室1内，以增加空气循环以扩大监测区域。本实施例换气模块7为但不限于气泵或风扇。
电源模块8用于为监测装置提供电能，以满足各模块、单元对电能的需求。电源模块8可以从列车或其他电源中汲取电力。使用DC-DC转换器或AC-DC转换器将列车电压转换成监测装置使用的电压。例如，通过DC-DC转换器将24V的DC列车电压转换成5V或3.3V监测装置的工作电压。再如，通过AC-DC转换器将110v或220v交流列车电压转换为5V或3.3V的直流电平。另外，电源模块8也可以用电池供电。
实施例2
实施例2是实施例1的一个优选实施例中，如图3所示，监测装置包括气室1、空气质量传感器2、数据采集单元3、微控制器4、存储模块5、过滤器6、换气模块7、电源模块8和通讯模块9。其中，监测装置采用气室1、空气质量传感器2、数据采集单元3、微控制器4、存储模块5、过滤器6、换气模块7和电源模块8的结构和连接方式与实施例1完全相同，在此不再赘述。通讯模块9用于微控制器4与远程控制台(远程孔子和台设置在总控室内)之间的通讯。
通信模块9将空气质量监测数据发送到远程控制台，以及从远程控制台接收命令。通信模块9可以是有线或无线通信模块。有线通信模块可以但不限于以太网、CAN总线、RS485、RS232、USB或其他类型的通信模块。无线通信模块可以但不限于Wi-Fi、ZigBee、移动数据或其他类型的通信模块。
作为本实施例的一个变型实施例，监测装置还包括显示器101、报警器102和/或备用电源103；其中，述显示器101电连接微处理器4，用于显示空气质量数据。报警器102电连接微处理器4，用于执行微处理器4的报警信息，如发出报警声音或报警灯亮起。备用电源103用于为监测装置提供备用电能，当电源模块8出现故障不能正常运行时，备用电源103为监测装置提供电能。
实施例3
实施例3是在实施例2的基础上进一步优选的实施例。监测装置包括气室1、空气质量传感器2、数据采集单元3、微控制器4、存储模块5、过滤器6、换气模块7、电源模块8、通讯模块9、地址模块(图中未示出)和空气质量控制单元(图中未示出)。其中，监测装置采用气室1、空气质量传感器2、数据采集单元3、微控制器4、存储模块5、过滤器6、换气模块7、电源模块8和通讯模块9的结构和连接方式与实施例1完全相同，在此不再赘述。
地址模块用于提供监测装置的详细位置，如监测装置的安装位置和编号，地址模块为MAC地址模块、IP地址模块或RFID地址模块。当监测装置安装在不同的列车上，以及安装在同一列车的不同车厢内时，总控室需要知道对应车厢内的空气质量，地址模块可以准确地提供监测装置的位置，以使总控制台单独对某个车厢的空气质量进行改善处理。
空气质量控制单元通过光催化剂方式改善空气质量，空气质量控制单元将光催化剂材料注入或喷射到空气中，从而改善车厢内的空气质量，光催化剂材料包括但不限于二氧化钛光催化剂。如图3所示，通讯模块9用于微控制器4、空气质量控制单元104与远程控制台105之间的通讯，当微控制器4获知车厢内空气质量较差时，将这个信息发送至远程控制台105，远程控制台105向空气质量控制单元104发送运行指令，空气质量控制单元104运行改善车厢内的空气质量。
在本实施例中，监测装置同样可以包括显示器101、报警器102和/或备用电源103，而且显示器101、报警器102和/或备用电源103的具体结构、连接方式和工作原理与实施例2的变型实施例相同，在此不再赘述。
另外，作为本实施例的一个优选实施例，监测装置还包括温度传感器和湿度传感器，温度传感器和湿度传感器与微控制器4电连接。温度传感器用于监测车厢内的温度，湿度传感器用于测量车厢内的湿度。温度传感器和湿度传感器将监测到的温度信号和湿度信号传输至微控制器4，微控制器4参考车厢内的温度和湿度计算空气质量数据，从而使空气质量数据更准确。比如，某种光电离气体传感器的输出在一定温度和湿度范围内，当温度和湿度增加时，传感器的输出会成线性减小。根据环境的温度和湿度测量，就可以更精准的获得监测气体浓度的数据。
上述实施例提供的空气质量监测装置，将空气质量传感器设置在气室内，并通过过滤器过滤进入气室内的空气，以降低空气中的颗粒物等杂质对空气质量传感器测量精度的影响；而且，在气室的外侧且与过滤器的相对位置处设置换气模块，以加快空气的流动速度，使进入气室内的空气更能反应车厢内总体空气质量，数据采集单元收集空气质量传感器获得的监测信号，并将该监测信号传输至微控制器，微控制器依据该监测信号获得空气质量数据。该监测装置能够准确获得空气质量数据，从而为改善车厢内空气质量提供准确的数据。
另外，上述实施例提供的空气质量监测装置能够根据空气质量传感器和微控制器实时监测车厢内空气中有害物质的浓度，总控制台根据有害物质的浓度启动空气质量控制单元运行，从而及时改善车厢内的空气质量。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种空气质量监测装置，其特征在于，所述监测装置包括采用气室、空气质量传感器、数据采集单元、微控制器、存储模块、过滤器和换气模块，其中，
在所述气室上设置有进气窗，所述过滤器设置在所述进气窗以过滤进入所述气室内的空气中的颗粒物；
所述空气质量传感器设置于所述气室内，用于监测空气中的污染物以获得监测信号；
所述数据采集单元用于采集所述空气质量传感器的监测信号；
所述微控制器用于分析所述数据采集单元采集的所述监测信号，以获得空气质量数据；
所述存储模块用于存储所述数据采集单元采集的所述监测信号以及所述微控制器获得的所述空气质量数据；
所述换气模块设置在所述气室外，并所述换气模块的出风位置与所述进气窗相对。
2.根据权利要求1所述的空气质量监测装置，其特征在于，所述空气质量传感器包括光电离检测器、电化学气体传感器、红外传感器、半导体传感器，催化剂传感器中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的空气质量监测装置，其特征在于，所述空气质量数据包括污染物的种类及浓度。
4.根据权利要求1所述的空气质量监测装置，其特征在于，所述换气模块为气泵或风扇。
5.根据权利要求1所述的空气质量监测装置，其特征在于，所述数据采集单元包括放大电路、滤波电路和A/D转换电路，所述放大电路用于放大所述空气质量传感器获得的监测信号，所述滤波电路用于对放大的所述监测信号进行过滤，所述A/D转换电路用于将过滤后的所述监测信号转化为数字信号，并将所述数字信号发送至所述微控制器。
6.根据权利要求1所述的空气质量监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括通讯模块，所述通讯模块用于所述微处理器与远程控制台之间的通讯。
7.根据权利要求6所述的空气质量监测装置，其特征在于，所述通讯模块包括以太网、CAN总线、RS485、RS232、USB、Wi-Fi、ZigBee或移动数据中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的空气质量监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括地址模块，所述地址模块用于提供所述监测装置的详细位置，所述地址模块为MAC地址模块、IP地址模块或RFID地址模块。
9.根据权利要求1所述的空气质量监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括空气质量控制单元，所述空气质量控制单元通过光催化剂方式改善空气质量。
10.根据权利要求1所述的空气质量监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括显示器、报警器和/或备用电源；其中，
所述显示器电连接所述微处理器，用于显示所述空气质量数据；
所述报警器电连接所述微处理器，用于执行所述微处理器的报警信息；
所述备用电源用于为所述监测装置提供备用电能。
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