CN208888228U - 基于提高竹林康养环境中负氧离子检测准确性的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于提高竹林康养环境中负氧离子检测准确性的系统，包括空气负离子浓度传感器、存储模块、电源模块、显示模块、计时器模块、温度传感器、湿度传感器、GPS模块、信号收发模块、指令输入模块和中央处理器。各个模块和传感器均连接在中央处理器上，空气负离子浓度传感器包括负离子采集器、放大电路、滤波器和A\D转换器；所述负离子采集器采用双重桶轴式负离子采集器原理，负离子采集器包括极化板、收集板和挡块，挡块包括内电极入口绝缘挡块和内电极出口绝缘挡块，收集板所在的极为内电极；通过设置挡块的参数来过滤空气中大离子和中离子来提高负氧离子检测的准确性。

Description

基于提高竹林康养环境中负氧离子检测准确性的系统

技术领域

本实用新型涉及环境检测系统，具体涉及基于提高竹林康养环境中负氧离子检测准确性的系统。

背景技术

随着国家经济的发展，人们生活水平的提高，康养环境越来越被人们推崇，“竹林康养”是以丰富多彩的竹林景观、沁人心脾的竹林空气环境、健康安全的竹林食品、内涵浓郁的生态文化等为主要资源和依托，配备相应的养生休闲及医疗、康体服务设施，开展以修身养心、调适机能、延缓衰老为目的的竹林游憩、度假、疗养、保健、养老等活动的统称。它是我国大健康产业的新模式、新业态、新创意，不仅符合推进全面经济改革，优化产业结构，培育新业态、新商业模式的重要宗旨，而且对于扩大内需、增加就业、拉动经济是一个新的重要增长点。

竹林康养对人体健康具有十分有效的保健作用，具有养身、养心、养性、养智、养德“五养”功效，也就是对身体、心理、性情、智慧、品德有治疗的效果。研究表明空气中含有负离子和正离子，其中空气负离子对生命有机体、自然环境有着诸多的益处，空气负离子中的小离子被称为负氧离子，负氧离子有助于缓解疲劳、控制血压、呼吸顺畅等，中离子和大离子有助于净化空气、杀菌灯，在竹林康养环境中关于负氧离子的浓度的研究有着重大的意义。

目前已有的空气离子浓度检测仪，对氧负离子的检测是通过将空气中的氧负离子的电荷量转化为电流进行检测，默认的空气中的氧负离子带有一个负电荷，通过检测空气中的电荷量，来推出氧负离子的浓度，但是空气中带电离子除氧负离子外还有大离子和中离子，大离子和中离子所带的电荷量大于一个，所以检测出的氧负离子的浓度并不准确。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是不同大小负离子的带电量不同，导致了负离子收集器收集的负氧离子不纯，提供了基于提高竹林康养环境中负氧离子检测准确性的系统，过滤掉大离子和中离子对检测的影响，提高了竹林康养环境中负氧离子检测的准确性。

本实用新型通过下述技术方案实现：

基于提高竹林康养环境中负氧离子检测准确性的系统，包括空气负离子浓度传感器、存储模块、电源模块、显示模块、指令输入模块和中央处理器。中央处理器外接空气负离子浓度传感器、存储模块、电源模块、显示模块和指令输入模块，空气负离子浓度传感器采集空气中负离子的浓度信息，并将采集到的信息发送给中央处理器，中央处理器对接收到的负离子浓度信息进行处理，发送到存储模块中进行存储，同时发送给显示模块进行显示；指令输入模块接收外界输入的指令，并将指令信息发送给中央处理器，中央处理器对接收到的信息进行处理，发送给空气负离子浓度传感器，空气负离子浓度传感器根据接收到的信息执行开始工作或停止工作的动作。空气负离子浓度传感器包括负离子采集器、放大电路、滤波器和A\D转换器；负离子采集器用于采集环境中的负离子信号，并将信号转变成为微电流，放大电路和负离子采集器相连，对微电流信号进行放大，滤波器和放大电路相连对电路进行滤波，A\D转换器和滤波器相连，将滤波后的电信号转变成为中央处理器可识别的数字信号。负离子采集器包括极化极、收集极和挡块，极化极和收集极为两个同轴设置的圆筒，极化极的内径18-22mm，长度为270-300mm，收集极的外径为4-6mm，长度为200-220mm，收集极位于极化极内，挡块为半椭圆球形绝缘材料，挡块的数量为两个，两个挡块分别设置于收集极的两端，长半轴为17-19mm，短半轴长为6-8mm。电源模块用于为系统供电，包括电源管理芯片、电池、和充电电路；充电电路和电池相连为电池充电，电源管理芯片连接中央处理器和充电电路，用于检测充电电路上电池的充电状态，同时为电池充电提供过充保护。发明人针对负氧离子收集的问题，分析了影响负氧离子收集的因素，发现不同大小离子的带电量不同且双重圆筒轴收集器收集的离子不纯净，提出用挡块过滤测试范围外负离子的方法，设计了氧负离子收集器，并推导了负氧离子收集器内外电极尺寸、电极间距与计划电压之间的关系。

根据研究结果采用绝缘材料设计挡块，将挡块的形状设计成半椭圆球形，为使收集器内气流平稳将电极尾部加上流线型设计。另外这里的中央处理器选用单片机，目前单片机技术已经相当成熟，其运行稳定，可以有效的减少使用过程中的故障几率。电源模块包括电源管理芯片、电池、和充电电路，电源管理芯片可以保证供电的稳定性，电池的设置增强了本系统使用的灵活性，处于有源环境时可由外界环境中的电源为系统供电，同时为电池充电，当处于无源环境时，可由电池为系统供电，方便了本系统在竹林中的实施。

进一步的，中央处理器包括计时器模块，计时器模块用于记录空气负离子浓度传感器工作的时间信息，并将记录的时间信息发送给中央处理器，中央处理器对时间信息进行处理，发送到存储模块和显示模块。对时间信息和负氧离子浓度信息同时进行记录，有助于分析负氧离子浓度随时间的变化率，对负氧离子的检测研究增加了一个维度。

进一步的，中央处理器外接温度传感器，温度传感器用于采集环境的温度信息，并将采集到的信息发送给中央处理器，中央处理器对接收到的温度信息进行处理并将温度信息发送给存储模块进行存储，同时发送给显示模块进行显示。环境中的负氧离子检测浓度的影响因素众多，温度可以引起空气中的某些成分发生变化，所以在检测空气中的负氧离子浓度时应该将其考虑在内，采集温度的信息有助于通过控制温度，来调整环境中负氧离子的浓度。

进一步的，中央处理器外接GPS模块，GPS模块用于连接GPS网络，采集当前的位置信息，并将采集到的信息发送给中央处理器，中央处理器对接收到的位置进行处理并将其发送给存储模块进行存储，同时发送给显示模块进行显示。因为空间环境中各个位置的负氧离子浓度可能不一致，增加GPS模块是为了将各个地方的负氧离子浓度信息和其位置信息进行匹配，增加了空间维度的统计，方便工作人员或是控制中心对负氧离子浓度进行调整。

进一步的，中央处理器外接信号收发模块，信号收发模块接入网络中，用于接收经中央处理器处理后的负离子浓度信息，将信息发送传送发送到网络中，并接收来自网络的信息，发送给中央处理器，中央处理器对信息进行处理，并发送到显示模块进行显示。信号收发模块的设置方便了远程数据的传输，工作人员可以远程了解到另一个地方的负氧离子的浓度信息。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、通过在内电极入口和出口设置挡块，过滤了空气中的大离子和中离子，使得所检测的空气中负氧离子的浓度更加精准；

2、通过设计温度传感器和湿度传感器等，检测了空气温度和湿度的信息，有利于对空气中的负氧离子浓度信息进行分析；

3、通过在电源模块中加入电池组，方便了系统在无源环境下的实施。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型电路模块结构示意图；

图2为本实用新型中负氧离子采集器的剖视结构示意图；

图3和图4均为负离子轨迹图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-极化板，2-收集板，3-挡块。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例

如图1和图2所示，基于提高竹林康养环境中负氧离子检测准确性的系统，包括空气负离子浓度传感器、存储模块、电源模块、显示模块、计时器模块、温度传感器、湿度传感器、GPS模块、信号收发模块、指令输入模块和中央处理器。

中央处理器外接空气负离子浓度传感器、存储模块、电源模块、显示模块、计时器模块、温度传感器、湿度传感器、GPS模块、信号收发模块、指令输入模块和中央处理器。

中央处理器用于处理空气负离子浓度传感器、温度传感器和湿度传感器采集到的信息，并发送给显示模块和存储模块；同时接收指令输入模块发出的指令，根据指令对显示模块和空气负离子浓度传感器进行控制；本实施例中的中央处理器采用Motorola生产的32位单片机-M683XX，本单片机的特点之一就是高频噪声低，抗干扰能力强，更适用于恶劣环境，可以保证系统整体运行的稳定性。使用单片机可以减少系统在实施时所占用的空间，单片机的功能强大，32位的单片机的接口齐全方便和其他传感器相连。

空气负离子浓度传感器与中央处理器电连接，空气负离子浓度传感器采集空气中负离子的浓度信息，将采集到的信息发送给中央处理器，中央处理器对接收到的负离子浓度信息进行处理，发送到存储模块中进行存储，同时发送给显示模块进行显示；空气负离子浓度传感器包括负离子采集器、放大电路、滤波器和A\D转换器；负离子采集器采用双重桶轴式负离子采集器原理，负离子采集器包括极化极1、收集极2和挡块3，挡块3包括极化极1入口绝缘挡块3和收集极2出口绝缘挡块3。

设计原理如下，设定圆筒的相关参数：令极化极1内径为R₁,收集极2外径为R₂，收集极2的长度为U。以对称轴为x轴，径向为y轴建立简化的二维坐标系，得到负离子从负离子采集器的入口的某初始位置打到收集极2上任一点的运动轨迹如图3所示；

负离子采集器中极化极1和收集极2之间任一点的场强为：

离子在极化极1和收集极2之间任一点所受的电场力为：

F_y＝qE_y (2)

且离子的雷诺数R_ep<1，在保证极化极1和收集极2之间内流体为层流的前提下，根据斯托克定律得到离子所受空气粘滞阻力为：

f＝6πηrυ_y (3)

式中：η为空气粘度，r为离子半径，υ_y为离子相对于空气的速度。

离子在电场力的作用下向收集极加速偏转，该过程中与中性原子相互碰撞产生摩擦力，而摩擦力的大小与离子相对于空气的速度成正比，最终达到受力平衡状态，因此，由式(2)和式(3)的离子运动速度和场强的关系式：

由式(4)可以得到空气中离子穿过气体的平均速度与电场强度E_y成正比，该比例常数为离子迁移率可简化为：

υ_y＝kE_y (5)

由式(6)得到离子从(0，R₁)运动到出口的边缘(L，R₂)所需要的时间为：

也就是说所有迁移率大于k_b的离子均能被完全吸收。

空气中负氧离子的迁移率为0.1-0.2cm·V^-1·s^-1；中离子的迁移率为0.01-0.1cm·V^-1·s^-1；大离子的迁移率为0.00001-0.001cm·V^-1·s^-1，且电场中离子运动速度与电场强度成正比，故在同一场强内负氧离子运动速度最快，中离子次之，大离子最慢。通常用单位体积空气内所含总电荷量比上一个元电荷，表示空气离子浓度，然而大离子和中离子所带电荷量大于一个，只有负氧离子带一个，故设置挡块3滤掉中离子和大离子，对负氧离子单独测量，从而让负离子采集器仅捕获负氧离子，即控制离子采集器所能采集到离子的迁移率的范围。

在收集极2离子入口处加上以下限迁移率的入口点到对称轴的距离为半径的挡块3从而过滤掉所有迁移率小于下限迁移率的离子。

假设收集极2入口处的挡块3的半径为a，最小迁移率离子从挡板边缘(0，a)运动到收集极2出口边缘处(L，R₂)的轨迹如图4所示。当最小迁移率的离子能从挡块3的边缘处运动到收集极2出口的边缘处就能保证所有小于下限迁移率的离子都不会被收集。离子从挡板的边缘处(0，a)运动到出口的边缘处(L，R₂)所需的时间为：

式中：k_a为下极限迁移率，离子在x方向上的运动速度为υ_x，为保证小于下极限迁移率的离子不被收集，需保证测量范围内最小迁移率的离子能从挡块3的边缘处刚好运动到出口的边缘处，从而得到下极限迁移率和挡块3纵切面半径为：

为减小收集极2入口端和出口端对空气的阻碍选用办妥求绝缘体作为挡块3，当挡块3和收集极1接触的面的半径大于等于a时，迁移率小的中离子和大离子就被过滤掉了。

本实施例中负离子采集器各参数优选值如下：收集极2直径为4-6mm，长为205-215mm，收集极2出口端和入口端的半椭球挡块3的长半轴均为17-19mm，短半轴长均为6-7mm，极化极1内径为19-21mm，极化极长为270-290mm。

存储模块和中央处理器电连接，接收中央处理器发出的信号并进行存储，同时为中央处理提供所需要处理的信息；电源模块用于为系统供电，包括电源管理芯片、电池、和充电电路，电源管理芯片的型号为IS6537；指令输入模块用于向接收外部工作人员发出的指令信息，并将改指令信息发送给中央处理器；显示模块用于显示经中央处理器处理过后的空气负离子浓度信息。本实施例中间指令模块和显示模块综合在一起实用电容式触摸屏，电容屏的灵敏度高，输入体验感好，更加有利于检测人员的使用。

中央处理器包括计时器模块，计时器模块用于记录各个传感器工作的时间和时刻，并将记录的时间信息发动给中央处理器，中央处理器对时间信息进行处理，发送到存储模块和显示模块。计时模块的设置可以使得系统将某一时刻的各种信息一一匹配，有利于各个数据的统计和对数据之间的内在联系进行分析。温度传感器和湿度传感器采集环境的温度和湿度信息，一方面将信息送入存储模块中记录，另一方面将信息通过信号收发模块传输到网络，工作人员根据这些信息分析各个信息之间的内部联系，更加合理的布置竹林环境里的各种设施来提高环境中的氧负离子的浓度。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于提高竹林康养环境中负氧离子检测准确性的系统，其特征在于，包括空气负离子浓度传感器、存储模块、电源模块、显示模块、指令输入模块和中央处理器；

所述中央处理器外接空气负离子浓度传感器、存储模块、电源模块、显示模块和指令输入模块，所述空气负离子浓度传感器采集空气中负离子的浓度信息，并将采集到的信息发送给中央处理器，所述中央处理器对接收到的负离子浓度信息进行处理，发送到存储模块中进行存储，同时发送给显示模块进行显示；所述指令输入模块接收外界输入的指令，并将指令信息发送给中央处理器，中央处理器对接收到的信息进行处理，发送给空气负离子浓度传感器，空气负离子浓度传感器根据接收到的信息执行开始工作或停止工作的动作；

所述空气负离子浓度传感器包括负离子采集器、放大电路、滤波器和A\D转换器；所述负离子采集器用于采集环境中的负离子信号，并将信号转变成为微电流，放大电路和负离子采集器相连，对微电流信号进行放大，滤波器和放大电路相连对电路进行滤波，A\D转换器和滤波器相连，将滤波后的电信号转变成为中央处理器可识别的数字信号；

所述负离子采集器包括极化极(1)、收集极(2)和挡块(3)，所述极化极(1)和收集极(2)为两个同轴设置的圆筒，极化极(1)的内径18-22mm，长度为270-300mm，收集极(2)的外径为4-6mm，长度为200-220mm，收集极(2)位于极化极(1)内，挡块(3)为半椭圆球形绝缘材料，

所述挡块(3)的数量为两个，两个挡块(3)分别设置于收集极(2)的两端，长半轴为17-19mm，短半轴长为6-8mm；

所述电源模块用于为系统供电，包括电源管理芯片、电池充电电路；所述充电电路和电池相连为电池充电，电源管理芯片连接中央处理器和充电电路，用于检测充电电路上电池的充电状态，同时为电池充电提供过充保护。

2.根据权利要求1所述的基于提高竹林康养环境中负氧离子检测准确性的系统，其特征在于，还包括与中央处理器连接的计时器模块，所述计时器模块用于记录空气负离子浓度传感器工作的时间信息，并将记录的时间信息发送给中央处理器，中央处理器对时间信息进行处理，发送到存储模块进行储存和显示模块进行显示。

3.根据权利要求1所述的基于提高竹林康养环境中负氧离子检测准确性的系统，其特征在于，还包括与中央处理器连接的温度传感器，所述温度传感器用于采集环境的温度信息，并将采集到的信息发送给中央处理器，中央处理器对接收到的温度信息进行处理并将温度信息发送给存储模块进行存储，同时发送给显示模块进行显示。

4.根据权利要求1所述的基于提高竹林康养环境中负氧离子检测准确性的系统，其特征在于，还包括与中央处理器连接的湿度传感器，所述湿度传感器对环境中的湿度信息进行检测，并将检测到的信息发送给中央处理器，中央处理器对接收到的湿度信息进行处理并将其发送给存储模块进行存储，同时发送给显示模块进行显示。

5.根据权利要求1所述的基于提高竹林康养环境中负氧离子检测准确性的系统，其特征在于，还包括与中央处理器连接的GPS模块，所述GPS模块用于连接GPS网络，采集当前的位置信息，并将采集到的信息发送给中央处理器，中央处理器对接收到的位置进行处理并将其发送给存储模块进行存储，同时发送给显示模块进行显示。

6.根据权利要求1所述的基于提高竹林康养环境中负氧离子检测准确性的系统，其特征在于，还包括与中央处理器连接的信号收发模块，所述信号收发模块接入网络中，用于接收经中央处理器处理后的负离子浓度信息，将信息发送传送发送到网络中，并接收来自网络的信息，发送给中央处理器，中央处理器对信息进行处理，并发送到显示模块进行显示。