多通道空气环境监测系统研究与设计开题报告

一、研究背景

步入21世纪，社会的进步与发展极其迅速，工厂企业规模的逐步扩大，而在整个城市快速发展的过程中，人们对于各种资源的消耗也在不断增加，特别是化工、石油和汽车等工业的发展，其废弃物的排放导致大气环境严重被破坏。

而今室内环境也引起了人们的关注，经调查研究发现，现代人们在室内环境时间已占到人们日常活动时间的80%-90%以上。室内环境涉及空气、光照、室温、声音四种因素，空气环境对人体来说是最为重要的环境因素，人在室内活动就需要呼吸室内的气体，所以室内空气质量与人的生活、工作以及人的身体健康都密切相关。空气中含有的有毒有害气体会对人类的身体健康带来巨大的威胁， 其中造成室内污染的主要因素为TVOC（Total Volatile Organic Compounds）、甲醛和CO₂。TVOC 可以在常温下蒸发， 并具有很强的毒性、刺激性，会影响皮肤和黏膜，对人体产生极大的损害。在日常生活中它主要来源于煤和天然气等燃烧的产物，吸烟、采暖和烹调时散发出的烟雾，建筑和装饰材料，以及家用电器、家具和清洁剂所释放出来的有害气体。甲醛具有极强的致癌和促癌作用，对人体的嗅觉、肺功能、肝功能和免疫系统产生极大的危害。在室内它主要来自于大量的人造板材和不达标的胶粘剂。如果人们长期处于低剂量的甲醛浓度环境中会导致慢性呼吸道疾病，鼻咽癌、结肠癌、脑瘤、月经不调、基因变异、白血病，青少年记忆力和智力下降等病症。CO₂属于中枢兴奋剂，为生理所需，但超过一定的范围时可对人体产生极大的危害，长时间吸入高浓度的 CO₂气体时会刺激人的呼吸中枢导致呼吸急促，引起头痛、神智不清甚至死亡等症状。而室外污染主要是工业生产中所排放的有毒有害气体以及PM2.5、PM5的粉尘颗粒污染物。光照是严重影响室内环境的重要因素，房间内光的亮度和色调等会影响人们的生理和心理。室温直接影响人们在室内的舒适度，良好的室温需要给人一种冬暖夏凉的舒适感。声音环境的衡量指标与噪声挂钩，人们活动与机器发出的噪声都会影响着人们休息的质量。

本文的主要研究目的在于探索一种快捷、可信的室内空气舒适度计算方法，用来对室内环境进行正确有效的评价，为后期的节能优化控制做好铺垫工作，也有利于发挥出整个室内能耗系统的节能潜力。影响室内空气品质的因素有很多，例如空气温度、相对湿度、有毒气体浓度等物理参量，还包括个人主观的感受，因此对室内环境舒适度做出快速准确的评价是一个非常复杂的系统过程，然而在倡导节约能源降低能耗的今天，最大限度地发挥空气净化系统的节能潜力必然离不开对室内环境进行有效评价，它既是研究环境节能控制的重要基础，也是构建低能耗居家环境的首要问题，本文研究的意义也在于此。

二、国内外研究现状

在国外，利用远程监控系统对室内环境进行实时监控是相当普遍的。美国的Eleectrodepot公司生产的室内环境远程监控设备，是利用了远程监测技术对室内的气压、温度、电能等信息进行采集；日本JICA中心研发的嵌入式多传感器数据采集设备，可以通过不同传感器接口，采集湿度、温度、辐射等多种环境信息，再通过 TCP/IP 协议将数据发送到 Web 服务器上，供用户登陆查看自家室内环境的不同信息。

在国内也有很多公司生产此类设备，比如常州华越网络科技有限公司生产的华越环境监控设备，可以实时检测每个空调的温度、湿度和空调压缩机、蒸发器的工作状态；鸿道通讯生产的环保监控系统，采用了GPRS无线通讯模块，主要对工业现场的环境进行实时监测。

室内空气品质的研究工作从20世纪70年代才开始，但已取得了很大的进步，同时也出现了一批将室内空气品质作为研究对象的国际化组织及相关机构，比如： 国际室内空气质量与气候协会（ISIAQ）、国际室内环境与能源中心（ICIEE）等。此外，世界卫生组织（WTO）及其他组织也积极参与和配合研究室内环境品质的相关工作，并定期举办关于室内空气品质与环境气候方面的国际会议。

除了这些国际性质的组织以外，世界各地也相继开展了许多有关室内环境品质的研究工作。例如美国国家环保局（EPA）、联合美国肺协会（ALA）、国家职业安全和健康学会（NIOSH）等诸多组织和机构在美国很多地方都开展了关于室内环境品质方面的科研、教育和宣传工作；在欧洲也成立了类似的组织结构，并在全国范围内相继开展了多次关于室内环境品质的调查研究工作，同时出版了许多有关室内环境的研究报告，并提出了一系列的标准规范。

然而对于室内空气品质的研究在我国开展得相对较晚，在20世纪80年代中期才开始有学者进行这方面的研究工作，研究的重点也主要集中在作业环境及公共场所的环境品质、室外环境因子对室内环境品质的影响方面。到20世纪90年代后，随着人们对生活水平以及生活质量的不断提高，室内环境品质问题变的日益突出，因此这一段时间的研究重点开始转向办公室、居室等室内环境对不同人群的健康影响方面。并且涌现出一大批的研究者，如王志强等对室内的甲醛污染进行了研究；戴树桂等论述了城市室内环境中空气溶胶污染问题，总结了不同径粒的颗粒物对人体的危害；张林等对城市室内环境多环芳烃对人体健康的影响进行了研究；谷雪等对室内装修材料、家具、黏胶剂中的甲醛、甲苯以及甲醇等可挥发性有机物污染严重。范春对室内空气中氮氧化物、张进对居室中CO污染进行了研究，并且在对比了国内外的卫生标准的同时，对不同危害下的各种浓度进行了探讨，也为卫生标准的制定提供了依据。

三、研究目的

本研究的目标是完成室内环境监测系统并重点研究室内居住环境舒适性评价模型。室内环境品质监控系统将实时检测空气中有毒气体的含量并通过智能处理后得到室内空气品质等级，用户可根据空气品质等级的好坏来做有效的措施以改善室内空气质量，减少有害气体对人体的危害，提升人们的生活质量，同时为后期的节能优化控制做好铺垫工作。

四、研究意义：

仅以人类自身来说，其日常生活和生产活动都与周围的大气环境密切相关，大气环境品质的变化对人类有极大的影响。空气中含有的有毒有害气体会对人类的身体健康带来巨大的威胁。影响室内空气品质的因素有很多，例如空气温度、相对湿度、有毒气体浓度等物理参量，还包括个人主观的感受，因此对室内环境舒适度做出快速准确的评价是一个非常复杂的系统过程，基于WSN的多通道室内环境智能评测系统将实时检测空气中有毒气体的含量并通过算法处理后得到室内空气品质等级，用户可根据空气品质等级的好坏来做有效的措施以改善室内空气质量，减少有害气体对人体的危害，提升人们的生活质量，同时为后期的节能优化控制做好铺垫工作。

一、主要研究内容：

1.基于物联网技术根据系统功能要求设计出空气质量的评测指标，并完成整体的硬件设计与说明；

2.硬件搭建中物联网技术模块的选择，对比不同的短距离无线通信技术的传输距离，功耗，传输速率等，选择合适的无线通信技术进行研究；

3.将室内环境监测系统接入PC端，实现监测结果的终端显示。

二、应实现的功能：

1. 搭建的硬件电路拥有空气质量检测，LCD显示，电源等功能；

2. 数据无线通信功能：能够通过LoRa技术实现各功能模块之间的通信，并将检测到的数据进行传输；

3. 监测到的数据能够通过PC终端在MATLAB中显示评测结果。

三、预期目标

预期目标是完成硬件电路的搭设，然后编写各系统的处理程序，完成通信模块中的无线传输程序和监测数据的程序编写。在完成软硬件的设计后，还需要对它们分别进行调试，对实验结果进行误差分析，以求实验方案的改进。

一、拟采用的研究方法

1. 硬件流程设计

鉴于室内空气环境的评测系统，本课题提出基于STM32的空气质量检测模块组合Rola模块，物联网技术使用LoRa和NB-Iot，LoRa不通过运营商基站发送数据,而是有其自身的服务端。由于不需要移动运营商的参与,它便不需要向移动运营商支付费用,但是它也需要有自己的服务器,用于接收节点的信号,以及将信号转发至互联网，并在信息处理模块通过NB-IoT一并传输至云数据中心进行存储、分析，实现两种LPWAN技术的互补来评监测内环境状况。传感器模块采集评测所需要的数据，这些模拟信号经过AD转换后传输到STM32微处理器，STM32微处理器将接收到的信息经过处理成为有效的空气指标数据，并由Rola模块发送端与中心节点进行实时数据传输。每个传感器节点负责监测区域的一部分，并与其他的传感器节点构成一个星型的子网，子网与子网之间是相互独立的。

最后，接收端经过串口传输最后把实时可靠的数据呈现在PC端，通过MATLAB上的遗传神经网络进行数据采集与分析，可以随时在PC端接收空气质量系数并进行实时评价，评测系统采用遗传算法与神经网络相结合，遗传算法优化的神经网络大大降低了智能评测时的误差，使得结果能准确反映出室内空气环境的质量。系统总览如图1所示。

图1系统总览

2. 软件流程设计

（1）BP遗传神经网络

首先进行BP神经网络模型的建立，GA对初始值进行编码，输入40组训练样本，并对其进行归一化的处理，进行训练，所得误差数作为适应度直。设置种群数为100，对种群进行选择、交叉、变异的操作来优化BP神经网络的初始化权值和阈值，最后BP神经网络通过网络训练预测函数的输出值并输出评价结果。通过遗传算法优化的神经网络可以大大降低了实时评价的误差。遗传算法优化神经网络示意图如图2所示。

图2 遗传神经网络示意图

二、研究步骤

（1）查阅设计中涉及的参考资料

（2）综合运用相关的专业知识，确定硬件的选型及软件的开发。

（3）设计并编写相关的软件程序，对各模块进行调试。

（4）进行系统硬件的搭建，进行综合调试，完成实物的设计。

（5）进行实验结果测试，进行误差分析。

[1] 王强.新时期我国室内环境检测的发展现状与思考[J].绿色环保建材,2020,(3):62-63．

Wang Qiang. Development status and reflection of indoor environmental testing in China in the new era[J].Green environmental protection building materials,2020,(3):62-63.

[2] 罗婷婷,邹航菲.基于遗传算法的计算机网络安全路由[J].现代电子技术,2020,(7):78-81.

Luo tingting,zou hangfei.Computer network security routing based on genetic algorithm[J].Modern electronic technology,2020,(7):78-81.

[3] 陈维聪,薛焕樟.一种智能家居室内空质量检测装置的开发[J].电子测试,2019,(15):13-16.

Chen weicong, xue hwan-zhang.Development of an indoor air quality detection device for intelligent household[J]. Electronic testing,2019(15):13-16.

[4] 王永姣,徐磊,束亮亮登.我国室内环境质量标准及室内环境质量现状分析[A].中国环境科学学会会议论文集[C].北京邮电大学,2007.

[5] 朱正伟,宋丽萍.基于混合人工蜂群粒子群改进的WSN定位研究[J].现代电子技术,2019,(23):6-10 16.

[6] 刘旭.我国室内空气污染防治法律制度研究[D].广西大学,2013.

Liu Xu. Research on the legal system of indoor air pollution prevention and control in China [D].Guangxi university,2013