室內空氣質量檢測設備綜述

王奕如+倪建云+齊壘+邱壯壯+尹心彤

摘 要：由于室內空氣污染引發了許多的疾病，人們已經開始迫切地需要設計一款檢測空氣質量的設備來改善室內空氣質量。目前國際和國內的許多研究人員已經開始了室內空氣質量檢測和評估方面的研究，并且取得了一系列的成果。其中檢測技術是通過使用微處理器、各種傳感器、無線通信模塊和顯示器等部件來檢測室內空氣污染物含量，評估方法是通過建立空氣質量評價指標對空氣質量進行評估。目前雖然已有把檢測技術和評估方法結合起來的空氣質量檢測設備，但是由于檢測技術和評估方法的不完善，室內空氣質量檢測設備應用的市場相對較小。隨著物聯網的發展以及人們對室內空氣質量的重視，室內空氣質量檢測設備在不斷的改進，同時也在逐漸的改善室內空氣質量。

關鍵詞：ZigBee；監測技術；評估方法；空氣質量綜合評價指標；空氣質量檢測設備

中圖分類號：X831 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0032-03

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，室內裝修帶來的空氣污染物將影響人類的身體健康，室內裝修揮發出來的甲醛，苯等有機物將會對人的身體健康造成不同程度的損害。在人的一生中有大約有80%的時間是在室內度過，如果室內有人吸煙空氣不流通，那么不吸煙的人也會得肺癌，所以室內空氣質量的好壞對人們的健康有著重要的影響[1]。室內空氣污染物具有種類復雜、濃度低等特點。當室內空氣被污染后早期人們可能出現眼干、嗜睡、記憶力減退等癥狀[2]。根據統計數據顯示，處于室內空氣污染中的人口數占全球總人口數量的50%，室內空氣污染可以引起呼吸道疾病，慢性肺病和支氣管炎等疾病。由于室外和室內環境空氣質量污染特別嚴重使得中國面臨著嚴重的挑戰[3～4]，因此人們迫切的想要去改善室內空氣質量。

2 室內空氣檢測技術

室內空氣質量檢測設備的部件主要分為四類，分別為微處理器、傳感器、無線通信模塊和LCD液晶顯示器。其中微處理器主要使用AT89C52、AT89C51和STM32系列的微處理器。傳感器主要使用檢測PM2.5、CO、CO2、溫濕度空氣指標的傳感器。無線通信模塊主要使用ZigBee、Bluetooth和802.11b等。因為需要觀測的值比較多為了更直觀地看到所有數據，一般顯示器采用12864系列的液晶顯示。

2.1 微處理器的選用

隨著人們對室內空氣污染的日益重視使得各種空氣質量檢測設備出現。這些空氣質量檢測設備中有葉勇設計的基于AT89C52單片機的空氣質量檢測裝置[5]和翟曉華設計的基于STM32的空氣凈化器[6]等，這些微處理器都可以被選用來設計室內空氣質量檢測設備。

2.2 傳感器的選用

由于室內空氣成分復雜多變，所以我們在選擇傳感器時要選擇靈敏度高、功耗小、壽命長、穩定性好的傳感器。如表1中的傳感器型號，許多代表性公司生產的空氣質量檢測設備中都配備了這些傳感器，并且取得了較好的檢測結果。

2.3 室內空氣質量檢測的無線通信技術

由于室內空間狹小，布線十分麻煩且復雜，所以現在一般都采用無線的方式傳輸，這樣既可以節省空間也可以降低人們因布線引發的意外事故使安全性更高。ZigBee、Bluetooth和802.11b都屬于最常用的無線通信模塊。從表2中可以看出三種無線通信模塊的優缺點，以及哪些典型的室內空氣檢測設備中用到了這些模塊。

2.3.1 ZigBee無線模塊

ZigBee無線模塊的網絡拓撲結構有星型結構、樹形結構和網狀結構[15]。但是在檢測室內空氣質量時一般都采用星型拓撲結構，這種結構在網絡范圍較廣，節點間互不影響的環境中有較大優勢[16]。使用ZigBee來實現室內空氣質量檢測的有趙偉、韋永斌和王霞、宋越分別設計的室內環境監控系統[17-18]。

2.3.2 Bluetooth模塊

Bluetooth技術是一種利用低功率無線電在各種設備間彼此傳輸數據的技術。它可以用來代替各種傳統的傳輸線[19]。傳統的傳輸線有長度的限制而且接線復雜。使用Bluetooth可以突破傳輸線的限制。例如陳文科設計的車載空氣凈化器就使用了Bluetooth技術[20]。

2.3.3 802.11b模塊

802.11b技術具有遠距離、高復雜度、高功耗、高數據速率、高成本等特點[21]。802.11b在大量數據傳輸中優勢十分突出，但是由于其高功耗、高復雜度等原因，使得802.11b很少用于空氣質量檢測之間的通訊。

3 空氣質量綜合指標的評估

由于室內空氣污染物種類復雜，且各種污染物在空氣中含量不同，所以如果直接給出各種污染物的濃度人們不會直觀的感覺到空氣是否被污染。因此需要對室內污染空氣進行評估，從中得出一個綜合性的指標，用來反映室內空氣污染情況，從而增加用戶體驗。目前室內空氣質量評價方法主要分為主觀評價法、客觀評價法和綜合評價法三類。

3.1 主觀評價法

主觀評價法就是人們主觀上對空氣的滿意程度，人越滿意則空氣質量越高。通過調查研究發現，人們對室內空氣質量的滿意度主要影響因素是氣味感受，其與空氣質量狀況有一定的關系，因此人們對室內空氣質量的滿意度是判斷室內空氣質量優劣的重要指標[22]。當室內的污染物指標滿足衛生標準的要求并且人體的生理指標沒有顯著變化時，室內人員仍然不滿意室內空氣質量，產生這一狀況的原因是室內空氣中的各種有機污染物對人體有長期的損害作用從而導致了人們可接受的污染物濃度難以預測[23]，所以室內空氣質量應該以主觀評價為主。這種方法相比客觀評價法來說比較模糊，只能有個大致的指標，不能進行量化計算。

3.2 客觀評價法

客觀評價法是將檢測的溫度、相對濕度、PM2.5、CO2和CO等參數的值與室內空氣質量標準[24]（如表3）對比來評價室內空氣質量。到目前為止國內市場出售的空氣質量檢測設備仍然使用GB/T 18883-2002。客觀評價法是早期用來評估室內空氣質量的一種方法，到現在客觀評價法包括數學模型評價法和人體模型評價法、計算機模擬三類，其中數學模型評價法又衍生出了模糊綜合評價法和灰色綜合評價法等方法[25]。

3.2.1 模糊綜合評價法

在1999年同濟大學的初春玲提出了使用模糊綜合評價法來評估空氣質量好壞[26]通過使用模糊數學基本理論，建立各級隸屬度函數，提出了空氣質量模糊評估模型。通過模型計算出的綜合評判矩陣可以大致說明空氣質量的優良。但是模糊評價法也有缺點，其中權重不好分配，模糊評價方法要建立對每一級別的隸屬度函數[27]，計算麻煩，所以還需進一步改進，但是模糊綜合評價法給了我們研究室內空氣質量的新思路。

3.2.2 灰色評價法

在20世紀80年代鄧聚龍教授創造了灰色系統理論。復旦大學陳秋玉使用灰色評價法來評價室內空氣質量，通過實測值與室內空氣質量評價標準值得出關聯矩陣，然后對室內空氣污染情況進行評估[28]。這種評價方法相比模糊綜合評價法有較好的可讀性和可計算性，而且準確度更高，是一種可供選擇的方法。

3.3 綜合評價法

綜合評價法是一種將主觀評價與客觀評價綜合在一起來考慮的一種評價方法。這種方法兼具了兩者的優點，是目前被認為最合理的方法。例如集對分析法，這種綜合評價法不僅考慮了到人的主觀感受又考慮到了實際測量的值與標準值對比的評估方法，是一種比較理想的室內空氣質量評估方法[29]。

4 發展趨勢

隨著物聯網的不斷發展，未來世界必將是物聯網的世界[30]。國內國際市場目前還沒有一套從空氣質量檢測到完成空氣凈化的完善的自動控制設備。不過如果設計出一套通過ZigBee與無線傳感器組合來采集室內空氣質量，然后通過物聯網將數據傳輸給空氣凈化器，空調等設備來凈化室內空氣，那么人們生活的環境將會得到很大的改善。

5 結束語

隨著室內空氣污染引發的疾病的發生率不斷提高。空氣質量監測變得越來越有必要，因此有必要來建立一套完整的自動控制系統來改善人們的室內空氣質量。但是我國在這方面還相對落后，我們需要不斷努力創新，不斷地借鑒前人的成果，來完善我國的空氣質量監測系統，推動智能家居不斷發展。

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