基于LoRa技術的醫院室內空氣質量實時監測和智能調節系統的設計

摘要：以STM32單片機為控制中心，運用多種傳感器，設計了一款基于LoRa通信技術的醫院室內空氣質量實時監測和智能調節系統，能用來實時監測醫院室內空氣的溫濕度、致病微生物、PM2.5、甲醛、苯、二甲苯和其他揮發性有機物濃度等質量參數，并對預警參數進行自動調節，用戶可以在客戶端上通過訪問云平臺查看監控區域內的空氣質量監測指標。該系統實現了實時監測和智能調節室內空氣質量的功能，實時性好，準確度高，操作簡單，具有一定的實用價值。可應用于醫院室內空氣質量實時監測和智能調節，最大限度降低空氣質量問題對患者及其家屬和醫院工作人員的身體健康造成的危害。

關鍵詞：STM32單片機;傳感器;LoRa技術;空氣質量監測;智能調節

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）14-0064-03

隨著生活條件的大幅度提高，人們對身體健康的重視程度越來越高，大型三甲醫院由于醫療技術水平較高，前來就診的病人數量非常多。三甲醫院由于人流量巨大，并且診療用品、試劑、藥品都會散發有害化學氣體，導致空氣中所含致病微生物、苯、二甲苯、甲醛、細顆粒物（PM2.5）和揮發性有機物（VOCs）的濃度較高，空氣污染較為嚴重，醫院室內尤其是病房內發生交叉感染的風險越來越高[1]。靜脈輸液配置中心、檢驗科、病理科等醫技科室平時工作中用到的試劑大部分具有揮發性，空氣中苯、二甲苯、甲醛等有毒氣體的濃度超標，這樣對患者及其家屬和醫院工作人員的身體健康造成危害[2]。很多醫院為了提高病房的安全性和保溫性能，窗戶上安裝了限位器，窗戶可敞開的面積越來越小，導致室內的空氣不流通，主要利用新風系統和中央空調系統更換空氣。醫院病房如果空氣中的溫濕度控制不當和顆粒物超標，容易滋生各類病菌微生物，產生新的傳染源，容易造成病人與健康人之間、病人之間的交叉感染，對患者和家屬的健康造成損害[3]。大多數醫院室內空氣質量不好，通風不良，往往充滿著消毒液味、藥水味和其他異味，容易使病人及其家屬、醫護人員感覺到呼吸不暢、抱怨較多。醫護人員如果長時間處于苯、二甲苯、甲醛、細顆粒物和揮發性有機物等濃度較高的環境中，身體容易感到不適，從而無法高效工作。醫院室內空氣質量的好壞直接影響著醫院內每個人的身體健康，較差的空氣質量容易傳染呼吸性疾病，所以非常有必要實時監測和調節醫院室內空氣質量[4]。

針對如何有效進行醫院室內空氣質量實時監測和調節的問題，檢測方法和檢測工具已經較多。在檢測方法方面，傳統的醫院室內空氣質量檢測存在檢測結果不準確、時效性差、檢測效率低等問題，主要依靠醫院職工定期進行檢測。不能反映不同地點和不同時間的空氣質量所呈現的變化趨勢，只能反映取樣點當前的空氣質量。傳統的檢測工具都為便攜式移動設備，存在誤差較大的問題，相關檢測參數隨著濃度、密度的不同發生變化[5]。傳統的醫院室內空氣質量檢測主要使用RS-485有線布線方式或ZigBee無線傳輸方式傳輸數據[6]。RS-485有線布線方式由于工程造價較高，無法廣泛使用。ZigBee無線傳輸方式由于穿透能力較差，傳輸距離較短，可靠傳輸數據的性能欠缺[7]。針對以上問題，本文設計了一款基于LoRa技術的醫院室內空氣質量實時監測和智能調節系統，實現實時監測醫院室內空氣質量參數，當甲醛氣體、細顆粒物PM2.5、揮發性有機物氣體濃度超過標準值時啟動智能調節系統，最大限度降低因空氣質量問題對患者及其家屬和醫院工作人員的身體健康造成的危害。

1 LoRa通信技術

LoRa 技術是一種傳輸距離遠、功耗低、抗干擾能力強、多節點、低成本、易于安裝部署的無線通信技術，目前在工業物聯網、智慧農業、環境監測、智能建筑等領域取得了廣泛應用。LoRa網絡是典型的星型拓撲結構，主要由終端節點（可內置LoRa模塊）、網關和服務器組成，可雙向傳輸數據[8]。LoRa網關是傳輸的中繼，連接終端節點和后端服務器。終端節點通過無線通信與LoRa網關連接，再通過以太網絡或3G網絡連接到后端服務器中，終端節點與LoRa網關均是雙向通信[9-10]。并且LoRa 技術的運維成本較低，非常適合應用于醫院室內空氣質量實時監測和智能調節系統。

2 系統整體設計方案

為便于安裝、檢修和實時上傳監測數據，醫院室內空氣質量實時監測和智能調節系統采用LoRa和GPRS 技術相結合的方式，將采集到的氣體濃度數據經過處理后作為智能調節模塊的控制依據，并將氣體濃度數據實時上傳到云平臺，用戶可以在客戶端上通過訪問云平臺查看監控區域內的溫濕度、甲醛氣體濃度、PM2.5濃度、揮發性有機物氣體濃度等空氣質量監測指標。此系統主要由傳感器節點、監控中心節點、GPRS模塊、LoRa模塊、電源模塊、智能調節模塊、云平臺、客戶端等組成，空氣質量監測系統結構圖如圖1所示。傳感器節點負責采集數據，并將數據發送至監控中心節點。當揮發性有機物氣體濃度或甲醛氣體濃度超標時，傳感器節點啟動智能調節模塊工作。監控中心節點主要負責接收和處理各傳感器節點的數據。當PM2.5 濃度超標時，監控中心節點則通過報警方式通知用戶采取相應措施。LoRa模塊用于遠程傳輸數據，GPRS模塊用于將數據實時上傳至云平臺，電源模塊為系統提供電能。

3 系統硬件設計

3.1 傳感器節點硬件設計

傳感器節點采用STM32F103VET6單片機作為處理器，硬件結構框圖如圖2所示。

3.2 傳感器的選型

本系統選用的PM2.5傳感器型號為PMS3003數字式通用顆粒物傳感器，溫濕度傳感器選用的是DTH11傳感器，揮發性有機物傳感器選用的是MAQ400混合氣體傳感器，可以同時檢測甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚、乙苯、氨氣等有機揮發性氣體的含量，甲醛傳感器選用的是DS-HCHO數字輸出式傳感器。66DBC426-1084-4E1A-B9AE-31DE04CCCD64

3.3 監控中心節點硬件設計

監控中心節點采用STM32F103VET6單片機作為處理器，硬件結構框圖如圖3 所示。

3.4 智能調節模塊的設計

智能調節模塊由風扇、前置濾網、HEPA濾網、活性炭纖維濾網、自催化氧化網和紫外線燈等部分組成。當空氣質量監測指標超標時，單片機發出指令轉動風扇，風扇吹動污染物通過一系列濾網后，污染物被濾網吸附和降解，達到凈化空氣的效果。前置濾網、HEPA濾網和活性炭纖維濾網三層嵌套使用，可有效清除室內空氣中的甲醛氣體、細顆粒物和揮發性有機物氣體等。活性炭纖維濾網和前置濾網可以直接用清水沖洗反復利用，成本得到降低。將表面負載納米二氧化鈦的泡沫鎳濾網和紫外線燈配合起來使用，具有很強的氧化能力，既可消滅被一系列濾網吸附到的霉菌和細菌，又可高效降解空氣中的苯、甲醛、細顆粒物和大部分揮發性有機污染物，直接分解成水和二氧化碳，達到凈化空氣的效果。

4 系統軟件設計

系統軟件設計主要由傳感器節點的軟件設計和監控中心節點的軟件設計兩部分組成。

4.1 傳感器節點的軟件設計

傳感器節點主要由傳感器采集模塊、STM32單片機、LoRa模塊和智能調節模塊等構成。傳感器節點的軟件運行流程如圖4 所示。為了有效降低功耗，傳感器節點和監控中心節點連接上之后，傳感器節點每隔一段時間采集室內空氣質量數據并通過LoRa技術將數據發送至監控中心節點。傳感器節點在采集周期外就進入休眠模式，之后當達到檢測周期時又重新被喚醒繼續采集室內環境數據。

4.2 監控中心節點的軟件設計

監控中心節點通過LoRa模塊接收傳感器節點發來的室內環境數據，并傳輸至STM32單片機對數據進行融合處理。系統開機初始化后，檢測是否成功連接上各個傳感器節點，當成功連接后接收節點傳來的數據并進行融合處理，并通過GPRS模塊將數據遠程傳輸至云平臺，用戶則可以在客戶端上通過訪問云平臺查看監控區域內空氣質量監測指標。LED顯示屏模塊則可以實時顯示采集到的室內環境數據。當傳感器節點發送過來的數據超標時，判斷是哪種空氣質量監測指標超標。當判斷為揮發性有機物氣體或甲醛氣體超標時，發送指令給傳感器節點啟動智能調節模塊。當判斷為PM2.5 濃度或溫濕度超標時，啟動報警模塊，通知用戶采取相應措施。

5 實驗測試

在某三甲醫院檢驗科內布置實驗測試點，抽取4間實驗室各放置1個傳感器節點進行實驗測試，并將監控中心節點放置在檢驗科會議室，實時監測和智能調節PM2.5、溫濕度、VOCs和甲醛等環境信息。在兩間實驗室內分別放置節點1 和節點2 ，采用室內空氣質量標準抽取方法在12 小時內每隔2個小時抽取環境信息，并做數據記錄，表1和表2為實驗數據。

從表1、表2可以看出，兩個節點的環境數據變化情況相似，在12點時PM2.5濃度超標，監控中心節點隨即啟動報警裝置。在14點時甲醛和易揮發性有機物濃度超標，傳感器節點隨即啟動智能調節模塊，甲醛和揮發性有機物濃度很快降低到室內空氣質量標準值下面。實驗測試結果表明，該系統能準確實時監測空氣質量監測指標是否超標，并能有效吸收、降解甲醛和易揮發性有機物。

6 結論

本文設計一款基于LoRa通信技術的醫院室內空氣質量實時監測和智能調節系統，能用來實時監測醫院室內空氣的溫濕度、致病微生物、PM2.5、甲醛、苯、二甲苯和其他揮發性有機物濃度等質量參數，并對預警參數進行自動調節，用戶可以在客戶端上通過訪問云平臺查看監控區域內的空氣質量監測指標。該系統實現了實時監測和智能調節室內空氣質量的功能，實時性好，準確度高，操作簡單，具有一定的實用價值。可應用于醫院室內空氣質量實時監測和智能調節，最大限度降低空氣質量問題對患者及其家屬和醫院工作人員的身體健康造成的危害。

參考文獻：

[1] 張豫疆，陳世豪.醫院室內空氣凈化技術應用現狀[J].中西醫結合護理（中英文），2020，6（2）：211-213.

[2] 郭堂偉，周涵，俞嘯，等.基于ARM嵌入式的醫院空氣質量實時檢測系統設計與研究[J].計算機測量與控制，2021，29（4）：14-18.

[3] 閆卓宜，趙曉慶，劉世兵，等.基于LoRa的PM2.5在線監測系統研究[J].科技創新與應用，2021，11（20）：26-28.

[4] 劉超然，朱珠，韋福鶴，等.基于LoRa的室內空氣質量檢測系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2020，20（6）：59-62.

[5] 王靖懿，崔國強，韓東奇，等.基于LoRa的有害氣體無線監測設計與實現[J].物聯網技術，2021，11（6）：29-31.

[6] 朱仁烽.醫院空氣質量監測系統的設計[J].電子世界，2020（10）：173-174.

[7] 韋海成，王淼軍，魏鑫，等.基于STM32的室內空氣質量監測自適應調節系統[J].現代電子技術，2016，39（8）：130-134，137.

[8] 湯祥虎，秦會斌，董勝奎.基于STM32的室內空氣質量檢測系統設計[J].軟件導刊，2017，16（10）：132-134.

[9] 胡中南，樊蓓蓓.基于LabVIEW的空氣質量監測系統設計[J].自動化儀表，2021，42（7）：78-82.

[10] 曹督尊，劉國彥，趙金才，等.基于STM32的智能室內空氣質量監測系統設計[J].科技視界，2020（16）：25-27.

收稿日期：2022-01-03

作者簡介：陸軍（1987—），男，浙江紹興人，助理工程師，碩士，研究方向為物聯網技術及應用、醫院后勤信息化。66DBC426-1084-4E1A-B9AE-31DE04CCCD64