CN113671015A - 一种基于物联网平台的局域广范围voc监测装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网平台且方便校准的局域广范围VOC监测装置，并提出了适用于该装置的校准方法。本发明使用PID传感器用作VOC监测传感器，将该传感器和其他传感器的采集数据经过信号转换处理，同时搜集终端设备所在位置的定位信息并传输至系统服务器，由系统服务器进行存储、解析、校准运算等。相比于传统的局域广范围VOC监测方式，本发明可在服务器端实现远程自动校准，无需花费大量人力对VOC监测终端进行逐一校准；具有自动化程度高、校准成本低，人力花费低的特点，广泛应用于局域广范围VOC校准监测领域。

Description

一种基于物联网平台的局域广范围VOC监测装置及校准方法

技术领域

本发明涉及局域广范围VOC监测领域，尤其是一种基于物联网平台且方便校准的局域广范围VOC监测装置及校准方法。

背景技术

VOC(挥发性有机化合物)监测再大气环境监测中有重要作用，在一些生产场合有毒VOC的污染会对人体造成严重伤害。VOC含量是对空气质量评估的重要指标。特别是当前臭氧污染严重的现状下，控制VOCs对臭氧治理的意义突出。传统的大型检测机器价格昂贵，布置不够灵活，搜集数据不够方便。而PID传感器在VOCs测量中体现了高精度，低成本的优势。但是由于其检测信号原理简单，传感器本身无法进行出厂校准，为后续设备的设计提出了校准数据的需求。

传统的校准方案是使用标准气体对传感器进行出厂标定，但是这种标定方案具有局限性，随着设备投入使用，传感器逐渐受到污染，测量数值出现漂移，原来的校准参数不再适用。此时，适用传统方法只能将传感器拆卸下来，进行清洗或者更换，然后再次标定数值，整个过程比较繁琐，维护成本较高，不利于PID传感器的大批量布置。

发明内容

为了解决目前PID传感器校准繁琐，维护成本高的技术问题，本发明提供一种基于物联网平台且方便校准的局域广范围VOC监测装置及校准方法。

本发明的第一方面提供了一种局域广范围VOC监测装置，包括：

VOC监测终端，用于以第一精度采集区域内的VOCs浓度，得到第一VOCs浓度；

校准VOC监测基站，用于对区域内空气的VOCs浓度以第二精度进行测量，得到第二VOCs浓度，所述第二精度精确位数比所述第一精度多；

系统服务器，用于对所述VOC监测终端的数据进行记录，对VOC监测终端进行校准；

所述VOC监测终端在安装前进行气体标定，得到原始校准参数；

所述系统服务器，具体包括：

数据库，用于存储数据，有多个存储片区；

解析模块，用于对服务器接收的所述多个VOC监测终端的传输数据进行解析，得到所述VOC监测终端的身份信息、初始校准参数、第一VOCs浓度、定位坐标数据记录到数据库中；

校准模块，用于从所述数据库中取出数据进行校准计算，把经校准后的数据存入数据库中；

所述对VOC监测终端进行校准，具体包括：

根据VOC监测终端的初始校准参数和第一VOCs浓度进行校准，得到第一校准结果；

对所述第一校准结果进行累加计算得到VOC监测终端的被污染指数；

获取所述校准VOC监测基站的第二VOCs浓度；

根据所述VOC监测终端的初始校准参数、所述第二VOCs浓度和所述被污染指数，对数据库中的所述第一VOCs浓度进行标定校准，得到标定校准参数；

对所述被污染指数进行评估：如果超过预设的置信标准，则通知用户更换对应所述VOC监测终端的PID传感器；否则，使用所述标定校准参数替换所述原始校准参数并存入所述数据库中。

进一步地，所述局域广范围VOC监测装置，还包括：

通信基站，用于在所述VOC监测终端和所述系统服务器之间进行数据传输。

进一步地，所述VOC监测终端，具体包括：

空气过滤模块，用于对所要监测的气体进行过滤；

PID传感器，用于以第一精度实时采集区域内气体的VOCs浓度；

定位模块，用于获取所述VOC监测终端的定位坐标；

中心处理模块，用于处理PID传感器采集的第一VOCs浓度数据；

通信终端模块，用于和通信基站之间进行通信；

其他传感器，用于实时采集区域内气体的其它数据；

电源，用于提供所述VOC监测终端工作的电能；

信号收发装置，用于发送数据；

空气动力装置，用于将气体从大气中抽入VOC监测终端中。

进一步地，所述VOC监测终端和所述校准VOC监测基站数量为多个，所述VOC监测终端和所述校准VOC监测基站均匀布置在采集区域中。

进一步地，所述系统服务器，还包括：

数据管理模块，用于对所述数据库中的数据进行增删查改；

显示模块，用于根据前端的数据显示请求，将所述数据库中的数据取出进行显示运算。

进一步地，所述通信基站与所述系统服务器通过因特网连接。

进一步地，各所述VOC监测终端自主选择距离最近的所述校准VOC监测基站用作校准参考，在多个校准VOC监测基站与自身距离一致时使用随机算法分配距离一致的多个校准VOC监测基站之一用作参考。

本发明另一方面提供了一种校准方法，用于校准权利要求1所述装置，其特征在于，包括以下步骤：

在所述系统服务器中记录所述VOC监测终端的初始校准参数；

令所述系统服务器定期与所述VOC监测终端通信以获取所述VOC监测终端的身份信息、采集数据和定位坐标信息；

所述系统服务器根据所述采集数据和所述初始校准参数对数据进行校准并存储到所述数据库中；

所述服务器根据所述数据库中的数据进行累加计算，得到每个所述VOC监测终端的被污染指数；

获取所述校准VOC监测基站的标准VOC在线监测数据；

所述服务器进行标定校准；

所述服务器对所述被污染指数进行评估：如果超过预设的置信标准，则通知用户更换对应所述VOC监测终端的PID传感器。

进一步地，所述服务器进行标定校准，具体包括：

所述服务器根据所述初始校准参数、所述校准VOC监测基站的在线监测数据和所述被污染指数进行计算，并对数据库中的所述采集数据进行标定校准，得到标定校准参数。

进一步地，所述校准方法，还包括：

如果所述被污染指数没有超过置信标准，则使用所述标定校准参数替换所述原始校准参数并存入所述数据库中。

本发明的有益效果是：

1.在监测区域内设置多个VOC监测终端和校准VOC监测基站，能够兼顾每个设备的个体特性和整体环境的变化特性，利用单点精确测量值对整体区域设备进行标定估计，判断各VOC监测终端的数据合理性，从而得到更为可靠的VOCs监测结果。

2.在VOC监测终端出厂时进行样本气体的标定后，通过设置校准参数、被污染指数等指标，实现对PID传感器的远程自动校准，无需浪费大量人力对PID传感器进行逐一校准，节约标定成本与维护成本。

3.采用基于物联网的无接触式标定方式，在突发公共卫生事件等情况导致出行限制时仍能通过校准得到可靠的VOCs监测结果。

综上所述，本发明提供的VOC监测装置及校准方法，适合用作局域广范围进行大范围的VOC监测，相比于现有技术，其数据采集和校准计算自动化程度高，无需管理人员过多介入，能较好满足高校，行政事业单位，企业的监测需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例中所述VOC在线监测系统的组成图；

图2为VOC监测终端的模块组成图；

图3为系统服务器的模块组成图；

图4为所述VOC在线监测系统的校准流程；

附图标记：

1、系统服务器；

2a，2b、通信基站；

3a，3b、校准VOC监测基站；

4a，4b、因特网；

5a，5b，5c，5d，5e，5f，5g，5h，5I，5j，5k，5l、VOC监测终端设备；

101、数据库，102、解析模块，103、校准模块，104、显示模块，105、数据管理模块；

501、电源，502、空气过滤模块，503、PID传感器，504、中心处理模块，505、定位模块，506、通信终端模块，507、空气动力装置，508、其他传感器，509、信号收发装置。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

参照图1，一套利用局域组网的VOC在线监测系统的实施例，包括系统服务器，通信基站，校准VOC监测基站，VOC监测终端。VOC监测终端里包含了PID传感器、采集信号转换处理模块、定位模块、数据处理模块、通信终端，其他传感器等。每个VOC监测终端都有自己的定位，图1中E、N即表示的对应VOC监测终端的经度和纬度；其数据通过通信终端与通信基站的交互，以无线传输的方式上传至因特网，并通过因特网地址访问系统服务器。通信基站包括蜂窝通信基站和自组网基站类型的所有基站种类。系统服务器会根据一个地区一定范围内的设备所上传的定位信息，自动组织区域内的设备数据整合到一起进行相关性处理。校准VOC监测基站中包含了大量高精度的VOC在线监测设备，其监测数据实时记录以用作定位坐标处于校准范围内的所有VOC监测终端的数据校准；图中圆形区域即是一个校准VOC监测终端的校准范围。对于处于多个校准VOC监测基站交界处的VOC监测终端，在遇到距离完全一致的极端情况时，使用随机算法分配到其中一个校准VOC监测基站的校准范围中。作为优选的实施方式，VOC监测终端可能需要移动作业，因此通过定位坐标分配合适的校准VOC监测基站作为参考是更具合理性的做法。

本实施例中，所述PID传感器是指以光化学原理进行VOCs测量的一个类型的VOCs传感器，本实施例中的校准系统和校准方法适用于一切适合大规模布置，而且随着时间推移，传感器和被测气体接触越多，污染越深的传感装置。

本实施例中，所述定位是指通过与全球定位系统进行通信以获取终端的经纬度坐标，所述全球定位系统不特指美国主导的全球定位系统GPS，而是包括但不限于GPS/北斗/伽利略/GLONASS四大全球定位系统的统称。不仅包括室外定位，而且包含室内定位系统。

本实施例中，所述随机算法可以有很多类型，如采用伪随机数生成器生成随机数对各校准VOC监测基站的经度进行整除，并取余数最大的校准VOC监测基站作为结果进行输出，除此之外，能够实现在若干个对象中随机选择其中一个作为输出结果的算法程序都可以实现本实施例。

参考图2，一种VOC监测终端的实施例，可安装于局域广范围，设备内包含电源、空气过滤模块、空气过滤模块、PID传感器、中心处理模块、定位模块、通信终端模块、空气动力装置、其他传感器和信号收发装置。实施例监测终端的工作方式为：空气通过空气动力装置传动，由空气过滤模块进入设备，再由PID传感器和其它传感器采集相关数据；采集数据经中心处理模块处理后，与定位坐标一同通过信号传输模块发送到信号收发装置上，再和通信基站通信。

本实施例中，空气动力装置只是一种气体抽取方式的应用，还可以使用鼓风机、风扇等，本领域技术人员可以根据自身需要选择合适的气体抽取方式以实现本实施例。

本实施例中的信号收发装置，包括无线通信的天线，光通信发射灯，有线通信驱动等等，各种通信信道发射装置。

参考图3，一种系统服务器实施例的组成图。数据库用于存储相关数据；解析模块用于对数据进行解析；校准模块用于对数据进行校准、数据管理模块用于根据指令对数据库中的数据进行操作、显示模块用于输出数据运算结果。服务器以数据库为核心，通过因特网接收到VOC监测终端的数据，经过解析模块解析处理，将有用数据存储进数据库中；校准模块从数据库中取出数据进行校准计算，将计算后的数据再存入数据库中的另一区域；显示模块根据前端的数据显示请求，将数据库终端数据取出进行显示运算；数据管理模块根据前端的数据操作指令，对数据库中的数据进行增删查改等管理操作。

本实施例中的校准计算，不限定特定的算法，不限定使用某一种传感器数据，而是所有传感器的数据都可以作为特征的训练数据。

本实施例中的数据管理模块，不仅限于增删查改功能，本行业内人员根据自身业务需要进行的所有数据操作功能衍生，都属于本专利保护范围之内。

本实施例中，显示模块只是一种数据输出方式的应用，还可以使用语音播报，LED二极管等方式输出数据，本领域技术人员可以根据自身需要选择合适的数据输出方式以实现本实施例。

参考图4，一种VOC监测系统的校准方法的实施例，包括以下步骤：

VOC监测终端出厂并安装好了PID传感器后，需要在工厂上电进行单个终端的数据采集实验，对特定PID传感器的测量值进行标准气体的标定工作；

将每个终端对应的初始校准参数在服务器中进行记录，设置每个终端ID对应的校准参数初始值；

在真实使用场景下安装本实施例的VOC监测终端，并上电使其正常工作。此时，终端每隔一定时间，会以和服务器约定的方式上传各种传感器采集到的数据以及本终端的ID信息，以及终端的定位坐标等信息；

服务器通过因特网按照其和VOC监测终端的约定方式获得数据，并对数据进行解析，存储，显示，管理等操作；

服务器根据上传数据以及初始校准参数对所接收到对数据进行校准，并将校准数据存储到数据库中；

服务器根据数据库中每个VOC监测终端对应的校准后的VOC数据，进行累加性质的计算，得出一个被污染指数，这个被污染指数可以反应PID传感器累计接触的VOC总量，也就和其被污染程度呈现相关关系。利用这种相关关系，服务器可以在内部使用智能算法去学习和判断被污染指数和真实污染程度的相关程度，从而为后续得到的采集数据置信度进行调整。当这个被污染指数达到一定值时，后续得到的采集值被认为不可采纳；

服务器从校准VOC监测基站获取标准VOC在线监测数据；

服务器根据初始校准参数、获得的数据、被污染指数以及从校准VOC监测基站获取的标准VOC数据对数据库中的原始采集数据进行标定校准，得到新的校准参数，同时对被污染指数进行判断；

如果被污染指数超过置信标准，则放弃这个计算得出的校准参数，并通知用户更换对应VOC监测终端的PID传感器；

如果被污染指数没超过置信标准，则将初始校准参数替换为新计算得出的校准参数，并等待下一次采集数据的接收。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种局域广范围VOC监测装置，其特征在于，包括：

VOC监测终端，用于以第一精度采集区域内的VOCs浓度，得到第一VOCs浓度；

校准VOC监测基站，用于对区域内空气的VOCs浓度以第二精度进行测量，得到第二VOCs浓度，所述第二精度高于所述第一精度；

系统服务器，用于对所述VOC监测终端的数据进行记录，对VOC监测终端进行校准；

所述VOC监测终端在安装前进行气体标定，得到原始校准参数；

所述系统服务器，具体包括：

数据库，用于存储数据，有多个存储片区；

解析模块，用于对服务器接收的所述多个VOC监测终端的传输数据进行解析，得到所述VOC监测终端的身份信息、初始校准参数、第一VOCs浓度、定位坐标数据、同一设备的其他传感器数据(这些传感器测量等对象包括但不限于温度，湿度，风速，臭氧浓度，氮氧化物浓度等等)，记录到数据库中；

校准模块，用于从所述数据库中取出数据进行校准计算，把经校准后的数据存入数据库中；

所述对VOC监测终端进行校准，具体包括：

根据VOC监测终端的初始校准参数和第一VOCs浓度进行校准，得到第一校准结果；

对所述第一校准结果进行累加计算得到VOC监测终端的被污染指数；

获取所述校准VOC监测基站的第二VOCs浓度；

根据所述VOC监测终端的初始校准参数、所述第二VOCs浓度和所述被污染指数，对数据库中的所述第一VOCs浓度进行标定校准，得到标定校准参数；

对所述被污染指数进行评估，如果超过预设的置信标准，则通知用户更换对应所述VOC监测终端的PID传感器；否则，使用所述标定校准参数替换所述原始校准参数并存入所述数据库中。

2.根据权利要求1所述的局域广范围VOC监测装置，其特征在于，所述局域广范围VOC监测装置，还包括：

通信基站，用于在所述VOC监测终端和所述系统服务器之间进行数据传输。

3.根据权利要求1所述的局域广范围VOC监测装置，其特征在于，所述VOC监测终端，具体包括：

空气过滤模块，用于对所要监测的气体进行过滤；

PID传感器，用于以第一精度实时采集区域内气体的VOCs浓度；

定位模块，用于获取所述VOC监测终端的定位坐标；

中心处理模块，用于处理PID传感器采集的第一VOCs浓度数据；

通信终端模块，用于和通信基站之间进行通信；

其他传感器，用于实时采集区域内气体和环境的其它数据；

电源，用于提供所述VOC监测终端工作的电能；

信号收发装置，用于发送数据；

空气动力装置，用于将气体从大气中抽入VOC监测终端中。

4.根据权利要求1所述的局域广范围VOC监测装置，其特征在于，所述VOC监测终端和所述校准VOC监测基站数量为多个，且所述VOC监测终端和所述校准VOC监测基站均匀布置在采集区域中。

5.根据权利要求1所述的局域广范围VOC监测装置，其特征在于，所述系统服务器，还包括：

数据管理模块，用于对所述数据库中的数据进行增删查改；

显示模块，用于根据前端的数据显示请求，将所述数据库中的数据取出进行显示运算。

6.根据权利要求1所述的局域广范围VOC监测装置，其特征在于，所述通信基站与所述系统服务器通过因特网连接。

7.根据权利要求1所述的局域广范围VOC监测装置，其特征在于，各所述VOC监测终端自主选择距离最近的所述校准VOC监测基站用作校准参考，在多个校准VOC监测基站与自身距离一致时使用随机算法分配距离一致的多个校准VOC监测基站之一用作参考。

8.一种校准方法，用于校准权利要求1所述装置，其特征在于，包括以下步骤：

在所述系统服务器中记录所述VOC监测终端的初始校准参数；

令所述系统服务器定期与所述VOC监测终端通信以获取所述VOC监测终端的身份信息、采集数据和定位坐标信息；

所述系统服务器根据所述采集数据和所述初始校准参数对数据进行校准并存储到所述数据库中；

所述服务器根据所述数据库中的数据进行累加计算，得到每个所述VOC监测终端的被污染指数；

获取所述校准VOC监测基站的标准VOC在线监测数据；

所述服务器进行标定校准；

所述服务器对所述被污染指数进行评估：如果超过预设的置信标准，则通知用户更换对应所述VOC监测终端的PID传感器。

9.根据权利要求8所述的局域广范围VOC监测装置的校准方法，其特征在于，所述所述服务器进行标定校准，具体包括：

所述服务器根据所述初始校准参数、所述校准VOC监测基站的在线监测数据和所述被污染指数进行计算，并对数据库中的所述采集数据进行标定校准，得到标定校准参数。

10.根据权利要求9所述的局域广范围VOC监测装置的校准方法，其特征在于，还包括：

如果所述被污染指数没有超过置信标准，则使用所述标定校准参数替换所述原始校准参数并存入所述数据库中。

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