便攜式環境監測儀

李誠涵

研究背景

環境污染已經日益成為威脅人們健康的重要因素，但是現在用于監測環境的空氣凈化器體積比較大，無法隨身攜帶，能耗較高，續航時間短，智能控制有待加強。因此，本研究希望設計一款便攜式環境監測儀，監測環境并提醒使用者避免吸入過多被污染的空氣。

研究過程

軟件設計

便攜式環境監測系統的方案設計分兩部分：一是環境模塊通過藍牙與手機綁定，二是手機端啟動環境監測與報警系統。

環境模塊通過藍牙與手機綁定：①啟動環境模塊，藍牙開始廣播;②打開手機的藍牙，在藍牙配對界面點擊搜索設備，并選中代表環境模塊的設備，配對成功后，手機上的APP即可以接收數據。

手機端啟動環境監測與報警系統：①啟動環境模塊，即開啟藍牙與手機連接，并開始通訊連接;②環境模塊將檢測到的環境數據通過藍牙傳送到手機的APP上，APP隨即顯示當前的環境數據;③手機APP判斷當前環境是否對人體不利;④若是，則APP推送警告信息，并在程序界面上顯示建議通風或更換環境;若否，則重新回到步驟②。

硬件設計

主要硬件有主控制器、藍牙模塊、PM2.5傳感器、紫外傳感器、VOC傳感器、溫濕度傳感器、充電供電芯片。

電路設計及制作：首先利用軟件設計電路板，然后進行制作。由于需要將紫外傳感器暴露在光照條件下，傳感器需要盡可能地靠近外殼上開孔的位置;PM2.5傳感器、溫濕度傳感器和VOC傳感器因為有透氣的需要，所以需要在電路板上挖一個洞，好讓氣流通過。

APP設置：使用已經搭建好的某手機藍牙接收程序，首先將手機上的藍牙與傳感器模塊的藍牙進行配對并綁定。綁定好傳感器模塊以后打開手機端APP，點擊接收數據就可以實時讀取數據。如果某一項數值超過報警值的話，手機APP會有消息推送。

外觀設計

首先將各個功能模塊整合到同一塊電路板上，使用的是AltiumDesigner軟件。設計成型的系統如圖1所示。其中指示燈部分的設計融入了許多時尚元素（圖2），整個儀器的外殼采用的是無毒害的樹脂材料。監測儀在外觀設計上遵循簡潔、美觀的原則，整體外形呈鵝卵石狀，顏色以乳白色為主（圖3）。

使用測試

甲醛對傳感器的影響：使用不同濃度的甲醛刺激脈沖1.6V的VOC傳感器，結果顯示，脈沖1.4V的工作模式中VOC傳感器對100 ppb甲醛沒有響應。連續工作模式下VOC傳感器對100 ppb的甲醛有響應。

乙醇熏蒸對傳感器的影響：經過5次高濃度乙醇熏蒸，傳感器都沒有出現損壞的地方。每次測試的乙醇濃度都在45000 ppm左右（數值是根據理論計算所得，可能存在不嚴謹的地方）。結果顯示，高濃度的VOC熏蒸有必要加主校準/老化環節。

煙熏對傳感器的影響：經過7次煙熏實驗，傳感器在高污染環境下依然有響應，沒有出現之前完全沒有響應的情況。但是，由于長時間的高濃度VOC熏蒸，檢測組出現了類似傳感器“中毒”的現象。對照組中也出現了類似的情況，這可能是檢測組的工裝上吸附了大量的VOC導致的。

創新點

簡單易用，實用性強：開機即可與手機建立連接，省去了復雜的按鈕操作設置的過程，對于不熟悉電子設備操作的人來說非常友好。

體積小巧，易于攜帶：本產品體積不到一個小型鼠標大小，重量也和一個鼠標相近，攜帶起來非常輕便。外觀設計加入了諸多時尚元素，兼具美觀和實用性。

功能豐富，涵蓋日常生活中常見環境危害檢測方法：VOC、PM2.5、紫外線、溫濕度是人們關心最多的4個環境條件，本產品集成了4個高精度的功能傳感器，滿足了絕大多數人的需求。

續航時間長：充電1次就可以連續工作3-4天，產品耗能低且電池容量較大，可長時間連續工作。

應用場景廣泛：無論是戶外還是家里、辦公室、裝修現場等室內場所，本產品都能發揮其環境監測的功能，不受地域和天氣條件的限制。

可拓展性強：豐富的創新配合較經濟的售價，產品前景比較好。

可拓展的功能

此次設計只完成了部分設想，我覺得在環境監測功能實現的基礎上還可以進行深度開發，實現以下拓展功能。

更長的續航時間：現在的便攜式環境監測儀充滿電后可以連續使用3-4天，如果可以像小米手環一樣充1次電用1個月就能讓使用者感覺更加方便。

更多的傳感器：生活中的電磁波、輻射等對人體也有很大危害，如果這些也能檢測出來，那么使用范圍就更廣了。

加入智能識別的功能：實驗中發現在一些特殊場合，有一些參數之間是有相關性的，比如溫度不變的時候，如果濕度逐漸增加到了70%，那么很有可能是外面下雨了，以此為依據可以智能識別出外在環境并作出提示。

手機端需要更好的人機交互界面：加上一些卡通圖案和有特色的曲線或圖表的話，使用起來會更加舒心和順手。

手機云端大數據功能：如果可以把很多環境監測儀的數據都上傳到云端，通過大數據，就可以形成一張比較詳細的周圍環境質量地圖，那么在使用者靠近受污染的區域前就可以提醒他們注意。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

本項目實現了VOC、PM2.5、紫外線、溫濕度的集成監測，并可與手機連接，方便實現。方案合理，設計全面，有推廣應用價值。項目在監測儀的軟件和硬件設計方面有較強的創新性。不足之處在于測試精度及可靠性方面。建議進一步優化設計，形成產品，并通過權威部門檢測，進行推廣應用。