一種便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的研制

李盼盼，周靖博，王 軍，劉兆強(qiáng)

（戰(zhàn)略支援部隊(duì)興城特勤療養(yǎng)中心，遼寧興城 125105）

0 引言

特勤療養(yǎng)是以空勤、海勤、涉核等特勤人員為保障對(duì)象的特殊類型的療養(yǎng)，對(duì)療養(yǎng)環(huán)境有很高的要求[1]。療養(yǎng)環(huán)境是指療養(yǎng)員在療養(yǎng)過程中所處的自然環(huán)境，包括紫外線強(qiáng)度、氧氣體積分?jǐn)?shù)、負(fù)離子濃度、溫度、濕度等環(huán)境因子。特勤療養(yǎng)重點(diǎn)研究環(huán)境因子連續(xù)作用對(duì)阻斷有害因子的作用機(jī)制[2]，但療養(yǎng)機(jī)構(gòu)各種環(huán)境因子的含量具體為多少，一直缺少確切、翔實(shí)的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)獲取環(huán)境數(shù)據(jù)的方法有2種，一種是每天從當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)獲取，但是存在一些明顯的缺點(diǎn)：（1）氣象臺(tái)提供的數(shù)據(jù)有限，無法提供負(fù)氧離子含量、光照度等數(shù)據(jù)；（2）氣象臺(tái)提供的數(shù)據(jù)是一個(gè)大區(qū)域的環(huán)境均值，而療養(yǎng)機(jī)構(gòu)一般建址于海邊或是山區(qū)等遠(yuǎn)離市區(qū)的地方，因此氣象臺(tái)提供的環(huán)境數(shù)據(jù)相對(duì)于療養(yǎng)機(jī)構(gòu)的地理位置來說不準(zhǔn)確，而療養(yǎng)員的療養(yǎng)活動(dòng)必須根據(jù)療養(yǎng)場(chǎng)地的微環(huán)境來決定。第二種方法是直接購買監(jiān)測(cè)設(shè)備，但市面上現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備一般只能提供單種環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，無法同時(shí)對(duì)多種環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。基于上述原因，我中心以特勤人員健康需求為牽引，緊緊圍繞特勤療養(yǎng)工作實(shí)際，于2017年研發(fā)了一套固定式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，該設(shè)備功能全面，集12種環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)于一體，解決了特勤療養(yǎng)活動(dòng)缺乏翔實(shí)數(shù)據(jù)支撐的問題，但該設(shè)備沉重（質(zhì)量＞1000 kg）、造價(jià)昂貴，只適合固定場(chǎng)地的環(huán)境監(jiān)測(cè)，不適合大規(guī)模裝備且不能夠?qū)μ厍谌藛T外出景觀療養(yǎng)時(shí)進(jìn)行伴隨保障。為解決上述問題，我中心在原有固定式環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)了一種便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備。

1 設(shè)計(jì)原理

本研究采用單片機(jī)控制不同傳感器模塊來實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境因子的檢測(cè)功能[3]。設(shè)備以自行設(shè)計(jì)的主電路板為核心，主電路板一側(cè)包括控制模塊（Arduino平臺(tái)、Mega2560開發(fā)板）接口，另一側(cè)包括顯示模塊接口、供電模塊接口、風(fēng)扇組接口以及各環(huán)境因子檢測(cè)模塊的電源及通信接口等（如圖1所示）。利用主電路板上的對(duì)應(yīng)接口，將本設(shè)備所需的不同模塊整合為一體：供電模塊由鋰電池組和電壓轉(zhuǎn)換模塊組成，用于給控制模塊、顯示模塊、風(fēng)扇組和各環(huán)境因子檢測(cè)模塊供電，各環(huán)境因子檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)數(shù)據(jù)并發(fā)送至控制模塊，控制模塊對(duì)收到的信息進(jìn)行分析計(jì)算，將結(jié)果呈現(xiàn)在顯示模塊。通過對(duì)主電路板上接口的調(diào)整，能夠便捷地進(jìn)行不同傳感器模塊的更換、升級(jí)，便于維護(hù)及功能拓展。

圖1 便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備組成框圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備采用高強(qiáng)度鋁合金作為機(jī)身材料，具有輕便、強(qiáng)度高、抗氧化能力和耐腐蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn)，顯示屏用特種專用防護(hù)玻璃覆蓋。考慮到設(shè)備的移動(dòng)使用屬性，采用嵌入式低功耗設(shè)計(jì)方案，將整機(jī)功率控制在10 W左右，并采用12 V大容量（25 Ah）鋰電池組供電，能連續(xù)工作23 h。設(shè)備尺寸為105 mm×267 mm×220 mm（長×寬×高），質(zhì)量為 7．8 kg，小巧輕便，便于攜帶和使用。

2.2 外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備殼體由蓋板、橫梁、把手及地腳組成，整個(gè)電路系統(tǒng)經(jīng)合理優(yōu)化后置于殼體內(nèi)，殼體外側(cè)設(shè)置相應(yīng)的孔位，用于安裝開關(guān)、按鈕、顯示屏等，以便人員操作及數(shù)據(jù)顯示。殼體采用雙殼體設(shè)計(jì)，外殼體和內(nèi)殼體相配合，形成2個(gè)腔體，提高了機(jī)箱整體的防水效果（防水等級(jí)為IPX1）。設(shè)備包括上、下、左、右、前、后6個(gè)面板，不同位置的面板提供了不同的功能。該設(shè)備外觀時(shí)尚、功能實(shí)用、便攜可靠、抗震防水，實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)物圖

2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，主控電路板一側(cè)為Mega2560開發(fā)板，另一側(cè)為各環(huán)境因子檢測(cè)模塊，為防止Mega2560開發(fā)板與后面板接觸短路，在后面板內(nèi)側(cè)加裝了一層橡膠絕緣墊片。前面板和右面板分別設(shè)置一組風(fēng)扇，用于設(shè)備內(nèi)部換氣，其中進(jìn)氣風(fēng)扇位于前面板，排氣風(fēng)扇位于右面板。內(nèi)部右側(cè)為鋰電池組，具有剩余電量顯示功能。上面板中央有環(huán)境因子顯示屏。

圖3 便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 操作面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)備操作面板即為前面板，包括直流電充電孔、電源開關(guān)、重置按鈕、參數(shù)顯示屏、電量顯示屏、調(diào)零按鈕、量程設(shè)定按鈕、風(fēng)扇開關(guān)、進(jìn)氣風(fēng)扇等。直流電充電孔的孔徑為3．5 mm，內(nèi)針芯粗1．1 mm，所屬的直流電底座與鋰電池組直接相連；電源開關(guān)選用直徑16 mm的金屬按鈕，帶燈環(huán)；重置按鈕用于設(shè)備系統(tǒng)錯(cuò)誤時(shí)恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置；參數(shù)顯示屏選用2．42 in（1 in=25．4 mm）OLED 屏幕，用于顯示監(jiān)測(cè)持續(xù)時(shí)間及監(jiān)測(cè)次數(shù)等參數(shù)；電量顯示屏采用5位LED燈分色顯示；調(diào)零按鈕、量程設(shè)定按鈕用于控制負(fù)氧離子檢測(cè)模塊；風(fēng)扇開關(guān)選用鈕子開關(guān)，用于控制風(fēng)扇組的閉合；進(jìn)氣風(fēng)扇選用直徑5 cm、5 V靜音風(fēng)扇，可吸入空氣到儀器內(nèi)部。

3 功能實(shí)現(xiàn)

該便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)置電池、便于攜帶，且儀器內(nèi)置外接電源接口，可外接交流電源實(shí)現(xiàn)長時(shí)間連續(xù)檢測(cè)，測(cè)量范圍廣，能夠同時(shí)檢測(cè)空氣中的負(fù)氧離子、PM2．5、PM10、O2、CO、CO2、SO2，以及溫度、濕度、氣壓、紫外線強(qiáng)度、光照度共計(jì)12種環(huán)境因子。其中，負(fù)氧離子、O2、溫度、濕度、氣壓、紫外線強(qiáng)度、光照度為療養(yǎng)因子指標(biāo)，對(duì)療養(yǎng)員的日常保健具有重要意義；PM2．5、PM10、CO、CO2、SO2為異常環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)，用于對(duì)療養(yǎng)環(huán)境進(jìn)行異常監(jiān)測(cè)和預(yù)警。該設(shè)備主要選用Arduino平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，采用Mega2560開發(fā)板、HD50-I2C以及10種不同類型的傳感器模塊，現(xiàn)對(duì)主要模塊介紹如下。

（1）控制模塊。

選用Arduino平臺(tái)的Mega2560開發(fā)板，其適合需要大量輸入輸出接口的設(shè)計(jì)。Mega2560開發(fā)板的核心處理器是ATmega2560，其具有54路數(shù)字輸入輸出接口、15路模擬輸入接口、4路通用異步收發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）接口、1個(gè)16 MHz晶體振蕩器、1個(gè)USB接口、1個(gè)電源插座、1個(gè)程序下載接口和1個(gè)復(fù)位按鈕[4]。

目前，市場(chǎng)對(duì)零部件尤其是汽車零部件的加工精度要求越來越高，而汽車制造企業(yè)及零部件供應(yīng)商又面臨著巨大的成本壓力，這無疑是一個(gè)挑戰(zhàn)；同時(shí)，汽車制造業(yè)的自動(dòng)化、智能化發(fā)展已經(jīng)成為了趨勢(shì)，如何利用先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備提高自身的生產(chǎn)效率，降低綜合成本，提升整體競爭力是每個(gè)企業(yè)都必須考慮的要素。埃馬克的此次展會(huì)上，無論是配備高性能焊接工藝和自動(dòng)換裝工件夾緊技術(shù)、可靈活批量加工各種不同工件的ELC?160激光焊接機(jī)，還是利用感應(yīng)淬火技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、高精度加工效果的MIND-M?1000感應(yīng)淬火機(jī)床，無一不展示出了埃馬克的自動(dòng)化加工理念。

（2）顯示模塊。

選用HD50-I2C顯示模塊，該模塊支持Arduino平臺(tái)，采用5 V供電，擁有1塊5 in的薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（thin film transistor，TFT）液晶顯示屏。該模塊自帶64 MiB的內(nèi)存，能存儲(chǔ)BMP格式的圖片文件，通過集成電路總線（inter-integrated circuit，IIC）接口與單片機(jī)連接[5]，實(shí)現(xiàn)彩色圖形信息顯示。

（3）負(fù)氧離子檢測(cè)模塊。

選用KEC-990傳感器，工作電壓為9 V，其核心傳感器采用最新鍍金工藝生產(chǎn)的高靈敏的極化平行電板，大幅提高了對(duì)大氣中的游離態(tài)離子收集率，克服了同類產(chǎn)品存在的離子收集率不高、檢測(cè)數(shù)值飄移不穩(wěn)的缺點(diǎn)。

（4）顆粒物檢測(cè)模塊。

選用PMSX003傳感器，工作電壓為5 V，采用激光散射原理，可以用于獲得單位體積內(nèi)空氣中PM2．5和PM10的個(gè)數(shù)及質(zhì)量，即顆粒物濃度，并以數(shù)字接口形式輸出。

選用KE-50傳感器，該型傳感器采用電化學(xué)反應(yīng)原理，無需外部電源，將氧氣體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為電壓值輸出，幾乎不受CO2、CO等氣體的影響，測(cè)量范圍為 0～100%，精度為±1%[6]。

（6）二氧化碳檢測(cè)模塊。

選用MG811傳感器，工作電壓為6 V，帶溫度補(bǔ)償輸出，具有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性，穩(wěn)定可靠，測(cè)量范圍為 0～10000 ppm（1 ppm=1×10-6）[7]。

（7）溫、濕度檢測(cè)模塊。

選用AM2302傳感器，工作電壓為5 V，包括1個(gè)電容式感濕元件和1個(gè)高精度測(cè)溫元件，具有響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，溫度的測(cè)量范圍為-40～80℃、精度為±0．5℃；相對(duì)濕度的測(cè)量范圍為20%～90%、精度為±2%。

（8）紫外線強(qiáng)度檢測(cè)模塊。

選用 UVM-30，工作電壓為 3．3 V，精度為±1 UV index，響應(yīng)的紫外線波長范圍為200～370 nm。UVM-30是一種專為需要高可靠性和精確性測(cè)量紫外線指數(shù)的場(chǎng)合所設(shè)計(jì)的傳感器[8]。

4 應(yīng)用效果

該設(shè)備從2018年1月開始研制，經(jīng)過技術(shù)路線設(shè)計(jì)、電子器件選型、電路設(shè)計(jì)及加工、設(shè)備外觀設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件安裝、整機(jī)調(diào)試等階段后，于2019年3月研制成功并在我中心正式投入運(yùn)行。

與市面上現(xiàn)有的便攜式環(huán)境因子監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，該設(shè)備大大地拓寬了環(huán)境因子檢測(cè)的種類，能夠同時(shí)對(duì)負(fù)氧離子、PM2．5、PM10、O2、CO、CO2、SO2、溫度、濕度、氣壓、紫外線強(qiáng)度、光照度共計(jì)12種環(huán)境因子進(jìn)行檢測(cè)，且測(cè)量結(jié)果精確。經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證，該設(shè)備的測(cè)量誤差在合理范圍內(nèi)，其中負(fù)氧離子的測(cè)量誤差低于 15%，PM2．5、PM10的誤差低于 10%，相對(duì)濕度、光照度的測(cè)量精度能達(dá)到±0．5%，溫度、紫外線強(qiáng)度、氣壓的測(cè)量精度分別為±0．5 ℃、±1 UV index、±1 hPa，O2、CO、CO2、SO2的測(cè)量誤差均低于 3%。

與我中心之前研制的固定式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，該設(shè)備雖然減少了對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向以及火焰的監(jiān)測(cè)，但是卻解決了固定式設(shè)備的體積大、質(zhì)量重、生產(chǎn)成本高的缺點(diǎn)，其中體積縮小了約97%，質(zhì)量降低了約99．5%，生產(chǎn)成本只有固定式的20%。

該設(shè)備運(yùn)行一年半以來，安全、穩(wěn)定，累計(jì)保障療養(yǎng)員超過200個(gè)批次，為我中心的特勤療養(yǎng)工作提供了很大的便利。

5 結(jié)語

便攜式特勤人員療養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備功能全面、輕巧便捷，完全符合特勤療養(yǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)際需求，進(jìn)一步拓寬了特勤人員療養(yǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)范圍，提高了療養(yǎng)效果和我中心在療養(yǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)方面的科學(xué)管理水平，加速了特勤療養(yǎng)事業(yè)的發(fā)展，對(duì)我軍特勤療養(yǎng)具有重要的意義。但該設(shè)備在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方面也存在缺點(diǎn)，檢測(cè)數(shù)據(jù)只能夠顯示在屏幕上，不能夠保存和讀取，在下一版設(shè)備的改進(jìn)過程中應(yīng)考慮上述不足。