李誠(chéng)涵

研究背景

環(huán)境污染已經(jīng)日益成為威脅人們健康的重要因素，但是現(xiàn)在用于監(jiān)測(cè)環(huán)境的空氣凈化器體積比較大，無(wú)法隨身攜帶，能耗較高，續(xù)航時(shí)間短，智能控制有待加強(qiáng)。因此，本研究希望設(shè)計(jì)一款便攜式環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)環(huán)境并提醒使用者避免吸入過(guò)多被污染的空氣。

研究過(guò)程

軟件設(shè)計(jì)

便攜式環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)分兩部分：一是環(huán)境模塊通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)綁定，二是手機(jī)端啟動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)。

環(huán)境模塊通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)綁定：①啟動(dòng)環(huán)境模塊，藍(lán)牙開始廣播;②打開手機(jī)的藍(lán)牙，在藍(lán)牙配對(duì)界面點(diǎn)擊搜索設(shè)備，并選中代表環(huán)境模塊的設(shè)備，配對(duì)成功后，手機(jī)上的APP即可以接收數(shù)據(jù)。

手機(jī)端啟動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)：①啟動(dòng)環(huán)境模塊，即開啟藍(lán)牙與手機(jī)連接，并開始通訊連接;②環(huán)境模塊將檢測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳送到手機(jī)的APP上，APP隨即顯示當(dāng)前的環(huán)境數(shù)據(jù);③手機(jī)APP判斷當(dāng)前環(huán)境是否對(duì)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(fēng)或更換環(huán)境;若否，則重新回到步驟②。

硬件設(shè)計(jì)

主要硬件有主控制器、藍(lán)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(shè)計(jì)及制作：首先利用軟件設(shè)計(jì)電路板，然后進(jìn)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?yàn)橛型笟獾男枰?，所以需要在電路板上挖一個(gè)洞，好讓氣流通過(guò)。

APP設(shè)置：使用已經(jīng)搭建好的某手機(jī)藍(lán)牙接收程序，首先將手機(jī)上的藍(lán)牙與傳感器模塊的藍(lán)牙進(jìn)行配對(duì)并綁定。綁定好傳感器模塊以后打開手機(jī)端APP，點(diǎn)擊接收數(shù)據(jù)就可以實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)。如果某一項(xiàng)數(shù)值超過(guò)報(bào)警值的話，手機(jī)APP會(huì)有消息推送。

外觀設(shè)計(jì)

首先將各個(gè)功能模塊整合到同一塊電路板上，使用的是AltiumDesigner軟件。設(shè)計(jì)成型的系統(tǒng)如圖1所示。其中指示燈部分的設(shè)計(jì)融入了許多時(shí)尚元素（圖2），整個(gè)儀器的外殼采用的是無(wú)毒害的樹脂材料。監(jiān)測(cè)儀在外觀設(shè)計(jì)上遵循簡(jiǎn)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(cè)試

甲醛對(duì)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(jié)果顯示，脈沖1.4V的工作模式中VOC傳感器對(duì)100 ppb甲醛沒(méi)有響應(yīng)。連續(xù)工作模式下VOC傳感器對(duì)100 ppb的甲醛有響應(yīng)。

乙醇熏蒸對(duì)傳感器的影響：經(jīng)過(guò)5次高濃度乙醇熏蒸，傳感器都沒(méi)有出現(xiàn)損壞的地方。每次測(cè)試的乙醇濃度都在45000 ppm左右（數(shù)值是根據(jù)理論計(jì)算所得，可能存在不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤剑＝Y(jié)果顯示，高濃度的VOC熏蒸有必要加主校準(zhǔn)/老化環(huán)節(jié)。

煙熏對(duì)傳感器的影響：經(jīng)過(guò)7次煙熏實(shí)驗(yàn)，傳感器在高污染環(huán)境下依然有響應(yīng)，沒(méi)有出現(xiàn)之前完全沒(méi)有響應(yīng)的情況。但是，由于長(zhǎng)時(shí)間的高濃度VOC熏蒸，檢測(cè)組出現(xiàn)了類似傳感器“中毒”的現(xiàn)象。對(duì)照組中也出現(xiàn)了類似的情況，這可能是檢測(cè)組的工裝上吸附了大量的VOC導(dǎo)致的。

創(chuàng)新點(diǎn)

簡(jiǎn)單易用，實(shí)用性強(qiáng)：開機(jī)即可與手機(jī)建立連接，省去了復(fù)雜的按鈕操作設(shè)置的過(guò)程，對(duì)于不熟悉電子設(shè)備操作的人來(lái)說(shuō)非常友好。

體積小巧，易于攜帶：本產(chǎn)品體積不到一個(gè)小型鼠標(biāo)大小，重量也和一個(gè)鼠標(biāo)相近，攜帶起來(lái)非常輕便。外觀設(shè)計(jì)加入了諸多時(shí)尚元素，兼具美觀和實(shí)用性。

功能豐富，涵蓋日常生活中常見(jiàn)環(huán)境危害檢測(cè)方法：VOC、PM2.5、紫外線、溫濕度是人們關(guān)心最多的4個(gè)環(huán)境條件，本產(chǎn)品集成了4個(gè)高精度的功能傳感器，滿足了絕大多數(shù)人的需求。

續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)：充電1次就可以連續(xù)工作3-4天，產(chǎn)品耗能低且電池容量較大，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。

應(yīng)用場(chǎng)景廣泛：無(wú)論是戶外還是家里、辦公室、裝修現(xiàn)場(chǎng)等室內(nèi)場(chǎng)所，本產(chǎn)品都能發(fā)揮其環(huán)境監(jiān)測(cè)的功能，不受地域和天氣條件的限制。

可拓展性強(qiáng)：豐富的創(chuàng)新配合較經(jīng)濟(jì)的售價(jià)，產(chǎn)品前景比較好。

可拓展的功能

此次設(shè)計(jì)只完成了部分設(shè)想，我覺(jué)得在環(huán)境監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行深度開發(fā)，實(shí)現(xiàn)以下拓展功能。

更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間：現(xiàn)在的便攜式環(huán)境監(jiān)測(cè)儀充滿電后可以連續(xù)使用3-4天，如果可以像小米手環(huán)一樣充1次電用1個(gè)月就能讓使用者感覺(jué)更加方便。

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

加入智能識(shí)別的功能：實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在一些特殊場(chǎng)合，有一些參數(shù)之間是有相關(guān)性的，比如溫度不變的時(shí)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(jù)可以智能識(shí)別出外在環(huán)境并作出提示。

手機(jī)端需要更好的人機(jī)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(lái)會(huì)更加舒心和順手。

手機(jī)云端大數(shù)據(jù)功能：如果可以把很多環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)都上傳到云端，通過(guò)大數(shù)據(jù)，就可以形成一張比較詳細(xì)的周圍環(huán)境質(zhì)量地圖，那么在使用者靠近受污染的區(qū)域前就可以提醒他們注意。

該項(xiàng)目獲得第34屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了VOC、PM2.5、紫外線、溫濕度的集成監(jiān)測(cè)，并可與手機(jī)連接，方便實(shí)現(xiàn)。方案合理，設(shè)計(jì)全面，有推廣應(yīng)用價(jià)值。項(xiàng)目在監(jiān)測(cè)儀的軟件和硬件設(shè)計(jì)方面有較強(qiáng)的創(chuàng)新性。不足之處在于測(cè)試精度及可靠性方面。建議進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成產(chǎn)品，并通過(guò)權(quán)威部門檢測(cè)，進(jìn)行推廣應(yīng)用。