中小學校園健康環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)初探

賈澤婧（上海市浦東復旦附中分校，上海　201209）

隨著我國國民經(jīng)濟發(fā)展和科學技術(shù)水平的提高，人們對于學習、生活的安全性、舒適性要求日益增長[4]。盡管目前已經(jīng)在大部分城市安裝了 PM2.5 監(jiān)測設(shè)備，但這些監(jiān)測點是相對城市之間設(shè)立的，區(qū)域范圍比較大，不能確切反映出具體某一個地點的污染指數(shù)，特別是教學樓、工廠等人口密度比較大的場所。學校校園是同學們?nèi)粘＜w學習、生活、運動的場所，校園生活的一天，從早自習 7：30 開始，到下午 16：00 左右放學，有的學校還有晚自習，同學們的在校時間超過 8 h 以上。每日大于 1/3 的時間生活在學校，校園內(nèi)的環(huán)境空氣質(zhì)量直接影響同學們的身體健康，也影響同學們的學習效率。目前，國內(nèi)市場上對校園環(huán)境的檢測主要是針對新學校、新教室的空氣質(zhì)量作某一時間段內(nèi)的衡量，并且只是單一儀器測量，沒有做到 24 h 實時監(jiān)控，也沒有形成網(wǎng)絡(luò)。

基于以上情況綜合分析，本文提出開發(fā)一種中小學校園健康環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過不同類別的空氣監(jiān)測傳感器，實時、在線、定量化地反映實際校園環(huán)境，對照是否滿足適合學生人群體質(zhì)的環(huán)境空氣指標，根據(jù)實際校園內(nèi)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，可為學校管理人員提供環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)化調(diào)節(jié)方案，保障學校校園的環(huán)境質(zhì)量。

1　校園的環(huán)境質(zhì)量

實現(xiàn)校園的健康環(huán)境，既包括學校教室、圖書館等室內(nèi)環(huán)境，也包括學校操場、運動場等室外環(huán)境。影響校園環(huán)境的因素很多(圖1)。一方面，來自于學校周邊，有城市大氣環(huán)境污染的影響，如大氣灰霾 PM2.5 污染、SO2污染；也有校園周邊的環(huán)境污染，如機動車尾氣、交通車流噪聲、加油站散發(fā) VOC (可揮發(fā)性有機物)，甚至有路邊燒烤、飯店油煙等。另一方面，來自教室內(nèi)，桌椅家具會散發(fā)出甲醛、苯等化學污染物，室內(nèi)建筑內(nèi)墻涂料散發(fā) VOC 揮發(fā)性有機物；教室內(nèi)的學生人群呼吸可引起室內(nèi) CO2濃度過高發(fā)困，以及流行性感冒的病菌傳播引起的交叉污染等。另外，來自操場上，不良的校園塑膠跑道材料可引起學生急性中毒事件。

圖1　校園環(huán)境的影響因素關(guān)系

2　校園環(huán)境質(zhì)量依據(jù)及監(jiān)測指標

環(huán)境監(jiān)測是運用現(xiàn)代化的科學技術(shù)手段測取數(shù)據(jù)，并把環(huán)境數(shù)據(jù)資料加以運用的科學活動，是用科學的方法監(jiān)視和監(jiān)測反映環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢的各種數(shù)據(jù)的過程。

現(xiàn)有的相關(guān)環(huán)境標準，包括適合室外及周邊環(huán)境的環(huán)境空氣質(zhì)量標準[2]，以及適用于室內(nèi)環(huán)境的相關(guān)標準[3-4]。對室外運動場塑膠跑道，上海市 2016 年已出臺相關(guān)污染限值標準[5]。參考以上環(huán)境標準，同時結(jié)合考慮學生身體素質(zhì)低于成年人，以及考慮提供良好的環(huán)境可提高學習效率，對校園健康環(huán)境質(zhì)量水平應(yīng)該高于以上參考標準。根據(jù)上文提及的典型污染，本文篩選出適合中小學校園的可在線監(jiān)測的環(huán)境指標，并提出相關(guān)限值濃度，見表1。

3　校園環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)

為實現(xiàn)校園長期保持健康環(huán)境，作者設(shè)計一套在線監(jiān)測系統(tǒng)，如圖2。該設(shè)計主要包括綠色供電系統(tǒng)、環(huán)境在線監(jiān)測傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實時監(jiān)測校園內(nèi)各個監(jiān)測點的溫度、濕度、光照情況、PM2.5 等數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到校園環(huán)境監(jiān)測中心平臺，進行有效發(fā)布。

表1　校園環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測參數(shù)及限值

圖2　校園健康環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1　綠色供電系統(tǒng)

綠色供電系統(tǒng)用于滿足校園在線監(jiān)測系統(tǒng)的用電保障。為實現(xiàn)校園健康環(huán)境理念，節(jié)約能源，本設(shè)計采用風力機發(fā)電與光伏板發(fā)電系統(tǒng)做為綠色能源(圖3)，如有發(fā)電結(jié)余，可通過電池蓄電，用于校園晚間路燈用電。當風力和光伏發(fā)電不足條件下，可連接市供電系統(tǒng)作為備用應(yīng)急電源。

圖3　光伏與風力發(fā)電綠色供電系統(tǒng)

3.2　環(huán)境在線監(jiān)測傳感系統(tǒng)

環(huán)境在線監(jiān)測傳感系統(tǒng)，是指使用傳感器等微小的敏感元件，對室內(nèi)環(huán)境空氣指標實現(xiàn)連續(xù)自動的測試技術(shù)。空氣傳感器具有微型化、集成化、抗腐蝕的優(yōu)點，通過使用一個或多個傳感器集成應(yīng)用，可以大大降低使用環(huán)境及人員技術(shù)的要求。

根據(jù)上文提出的室內(nèi)、室外環(huán)境監(jiān)測指標，對校園里的教室、實驗室、大禮堂等室內(nèi)環(huán)境安裝甲醛、TVOC、PM2.5、CO2在線監(jiān)測傳感器元件(圖4～7)，普通教室、實驗室可在前后各放置1個測量節(jié)點，高度可按學生坐高來定，主要測試呼吸集中區(qū)域的數(shù)據(jù)；大禮堂等室內(nèi)面積比較大，可多放置幾個測量節(jié)點。在校園操場等室外附近可安裝甲醛、PM2.5、TVOC 等在線監(jiān)測傳感器元件。對于有特殊要求環(huán)境，可安裝其他傳感器，如臭氧、噪聲等相關(guān)傳感器元件。對室外周圍環(huán)境有多個污染源時，可安裝氣象環(huán)境系統(tǒng)，可測風速、風向、氣溫、揚塵等，以判斷污染源的來源和強度。環(huán)境測試用傳感器可按如下方式選擇。

(1) 甲醛傳感器。甲醛傳感器(圖4)采用兩電極電化學式的擴散原理，與精良的電路設(shè)計緊密結(jié)合，進行氣體濃度的測量。在甲醛氣體存在時會產(chǎn)生微小的電流，同時對醇類、苯和萘等氣體也有一定程度的響應(yīng)。傳感器自身不需要電源，但需要放大電路以使其可被外部數(shù)據(jù)采集設(shè)備所用。

(2) TVOC 傳感器。TVOC 傳感器(圖5)是用來測試室內(nèi)空氣污染物的傳感器。TVOC 是一類重要的空氣污染物，在常溫下可以蒸發(fā)的形式存在于空氣中，它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的氣味性，會影響皮膚和黏膜，對人體產(chǎn)生急性損害。

(3) PM2.5 激光傳感器。現(xiàn)有對顆粒物檢測的傳感器主要有兩種：紅外原理粉塵傳感器和激光原理粉塵傳感器。紅外原理粉塵傳感器只能檢測到 1 μm 以上的顆粒，而激光傳感器可以檢測到 0.3 μm 以上的顆粒。因為自帶高性能CPU，采用風扇或鼓風機采集大量數(shù)據(jù)，經(jīng)由專業(yè)顆粒計數(shù)算法分析，可獲得較為準確的濃度值。因此，對 PM2.5指標的測試一般選用 PM2.5 激光傳感器(圖6)。

(4) 氣象監(jiān)測微站系統(tǒng)。采用氣象監(jiān)測微站系統(tǒng)(圖8)可準確、高效地采集輸電線路氣象信息。監(jiān)測系統(tǒng)安裝于輸電線路環(huán)境氣象比較復雜的區(qū)域，主要對輸電線路走廊局部氣象數(shù)據(jù)及其變化狀況進行探測與采集，如溫濕度、風速、風向、雨量、氣壓、日照等。

(5) 氣體傳感器。MEMS 微結(jié)構(gòu)氣體傳感器(圖9)近年來發(fā)展速度迅猛，為了滿足檢測需求，在同一片基體上可以同時集成多個氣敏單元，形成氣敏陣列結(jié)構(gòu)，通過模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以同時檢測出混合氣體中每種氣體的濃度值。除使用以上單項功能的傳感器外，本文推薦采用 MEM 微結(jié)構(gòu)類型氣體傳感器，來有效地控制工作溫度，減少環(huán)境的影響，最大限度地提升氣敏材料的氣敏特性。

圖4　甲醛傳感器

圖5　TVOC傳感器

圖6　PM2.5激光傳感器

圖7　CO2傳感器

圖8　氣象監(jiān)測微站系統(tǒng)

圖9　MEM微型氣體傳感器

3.3　數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負責采集在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳給校園監(jiān)控中心。在該系統(tǒng)中，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的時間及頻次等功能由監(jiān)控中心的服務(wù)器控制。現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備需要配置數(shù)據(jù)采集器，監(jiān)測儀器可采用多種數(shù)據(jù)輸出方式，實時采集在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)封裝成 UDP (用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議)格式數(shù)據(jù)包，然后按照 IP 協(xié)議格式加上報頭和報尾封裝成 IP 數(shù)據(jù)報。無線通訊模塊將數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)化成短消息，通過無線鏈路傳送到 GPRS 服務(wù)支持結(jié)點，將數(shù)據(jù)分組，發(fā)送到 GPRS 網(wǎng)關(guān)支持結(jié)點，由其對數(shù)據(jù)進行協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)從 GPRS 網(wǎng)絡(luò)到因特網(wǎng)的轉(zhuǎn)換，再根據(jù)其目的 IP 選擇路由傳送到校園監(jiān)控中心。

3.4　數(shù)據(jù)監(jiān)控發(fā)布系統(tǒng)

對校園健康環(huán)境進行監(jiān)測，設(shè)立校園環(huán)境監(jiān)測中心平臺，可用于環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲、分析和實時發(fā)布。然后由監(jiān)測平臺發(fā)布校園內(nèi)各教室、實驗室的實時環(huán)境情況。

3.4.1校園監(jiān)控中心

監(jiān)控中心分為一級監(jiān)控中心和二級監(jiān)控中心。一級監(jiān)控中心可設(shè)在市或區(qū)教育局，主要負責接收監(jiān)測儀器通過GPRS 終端傳輸來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集指令也由一級監(jiān)控中心服務(wù)器實現(xiàn)，然后對數(shù)據(jù)進行存儲和處理，再通過有線網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉壉O(jiān)控中心即各學校監(jiān)控平臺，由其對數(shù)據(jù)進行處理。兩級監(jiān)控中心分別部署一個通訊服務(wù)器軟件、數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)器軟件和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器軟件，負責同 GPRS 終端進行數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

一級監(jiān)控中心發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令，當現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器收到后，即向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)，如中心收到的數(shù)據(jù)無誤，則通過自動監(jiān)測站繼續(xù)傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時將儀器運行狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)等狀況信息向監(jiān)控中心發(fā)送。數(shù)據(jù)收發(fā)軟件中設(shè)有監(jiān)控所需的 DBF 數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)首次運行將首先檢索連接的數(shù)據(jù)庫，如果安裝設(shè)備的自動站與系統(tǒng)原設(shè)置的數(shù)據(jù)庫連接不符合，系統(tǒng)自動提示進行數(shù)據(jù)庫連接設(shè)置。數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過信息渡船進到專網(wǎng)，最后存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

3.4.2數(shù)據(jù)監(jiān)控與發(fā)布系統(tǒng)

校園監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)存儲后，可通過手機 APP 軟件進行發(fā)布，或微博賬號進行當前的環(huán)境參數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)的發(fā)布。可顯示單個或多個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時顯示城市公共環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。這一系統(tǒng)能讓學生和家長通過手機了解校園環(huán)境空氣水平，或者接入校園 LED 公告發(fā)布板，或通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布，實現(xiàn)校園環(huán)境信息的有效發(fā)布傳播。

數(shù)據(jù)監(jiān)控管理與發(fā)布系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，功能組成主要包括數(shù)據(jù)信息處理及加工、環(huán)境管理決策信息發(fā)布兩部分，集數(shù)據(jù)收發(fā)、計算、統(tǒng)計、分析、表征、發(fā)布為一體。監(jiān)控中心數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)器通過寬帶網(wǎng)與因特網(wǎng)相連，環(huán)保系統(tǒng)各應(yīng)用部門通過光纖與省或市監(jiān)控中心專網(wǎng)服務(wù)器相連，不具備光纖相連條件的終端通過因特網(wǎng)與省監(jiān)控中心數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)器相連。數(shù)據(jù)監(jiān)控管理與發(fā)布系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源主要類別為來自各教室、圖書館、實驗室的甲醛、PM2.5、CO2、溫濕度等；來自室外監(jiān)測點的甲醛、PM2.5、氣象參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)等。

在信息處理及加工部分，可以通過查詢界面對自動監(jiān)測儀器的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行查詢，可查詢各指標的小時均值、日均值、月均值等，可查詢各類污染指數(shù)、質(zhì)量級別、狀況，形成日報、周報、月報等，并通過表格、柱狀圖、曲線圖進行顯示；可顯示儀器運行情況和現(xiàn)場儀器的圖片，顯示測試站的位置、實時變化的數(shù)據(jù)、污染指數(shù)、超標警報等。

3.5　預(yù)警與處置

對于來自室外環(huán)境污染物侵入室內(nèi)時，如室外灰霾PM2.5 污染，應(yīng)考慮關(guān)閉門窗，通過新風過濾系統(tǒng)、空氣PM2.5 凈化器降低PM2.5濃度。如由室內(nèi)源引起污染，需要判別室內(nèi)污染源，如課桌椅、墻面裝飾材料、內(nèi)墻涂料、膠黏劑等污染問題，應(yīng)及時更換建材裝修材料和污染桌椅；如是學生密集引起的 CO2濃度過高，應(yīng)考慮提高通風水平等相應(yīng)措施。

對環(huán)境監(jiān)測也可以實現(xiàn)預(yù)警，如對室內(nèi) PM2.5 濃度或室內(nèi)空氣質(zhì)量設(shè)置污染水平級別，分別設(shè)立優(yōu)、良、中、差的環(huán)境質(zhì)量級別。當環(huán)境條件為“差”時，認為教室環(huán)境無法滿足正常的學習環(huán)境，應(yīng)考慮學生休假等方式設(shè)置預(yù)警解決方案。通過以上在線監(jiān)測系統(tǒng)，基本可以滿足對校園內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測功能要求，實現(xiàn)校園環(huán)境質(zhì)量的實時監(jiān)控。

4　結(jié) 語

本文提出了一種校園健康環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，目的是實現(xiàn)健康校園環(huán)境目標。在智慧校園、綠色校園、節(jié)能型校園的背景下，以學生們的健康為設(shè)計目標的健康環(huán)境校園更體現(xiàn)以人文本的理念。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)的發(fā)展，對校園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以更廣泛的拓展，不僅包括空氣質(zhì)量環(huán)境，還可以包括聲環(huán)境、光環(huán)境、熱環(huán)境、細菌污染環(huán)境，確保校園內(nèi)學生和老師的健康，以及營造良好、舒適的學習環(huán)境，提高學習效率，增強身體素質(zhì)，杜絕學校傳染病傳播等。

參考文獻：

[1] 孫煜.智能化建筑對建筑設(shè)計的要求[J].中國住宅設(shè)施,2017(9).

[2] GB 3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標準[S].

[3] GB 18883-2002室內(nèi)空氣質(zhì)量標準[S].

[4] GB 50325-2010民用建筑工程室內(nèi)空氣環(huán)境污染控制規(guī)范[S].

[5] T/310101002—C003—2016學校運動場地塑膠面層有害物質(zhì)限量[S].