摘要：以STM32單片機為控制中心，運用多種傳感器，設(shè)計了一款基于LoRa通信技術(shù)的醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實時監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能用來實時監(jiān)測醫(yī)院室內(nèi)空氣的溫濕度、致病微生物、PM2.5、甲醛、苯、二甲苯和其他揮發(fā)性有機物濃度等質(zhì)量參數(shù)，并對預(yù)警參數(shù)進行自動調(diào)節(jié)，用戶可以在客戶端上通過訪問云平臺查看監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測指標。該系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)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(yīng)用于醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實時監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)，最大限度降低空氣質(zhì)量問題對患者及其家屬和醫(yī)院工作人員的身體健康造成的危害。

關(guān)鍵詞：STM32單片機;傳感器;LoRa技術(shù);空氣質(zhì)量監(jiān)測;智能調(diào)節(jié)

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(yī)院由于醫(yī)療技術(shù)水平較高，前來就診的病人數(shù)量非常多。三甲醫(yī)院由于人流量巨大，并且診療用品、試劑、藥品都會散發(fā)有害化學(xué)氣體，導(dǎo)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(fā)性有機物（VOCs）的濃度較高，空氣污染較為嚴重，醫(yī)院室內(nèi)尤其是病房內(nèi)發(fā)生交叉感染的風(fēng)險越來越高[1]。靜脈輸液配置中心、檢驗科、病理科等醫(yī)技科室平時工作中用到的試劑大部分具有揮發(fā)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(yī)院工作人員的身體健康造成危害[2]。很多醫(yī)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(dǎo)致室內(nèi)的空氣不流通，主要利用新風(fēng)系統(tǒng)和中央空調(diào)系統(tǒng)更換空氣。醫(yī)院病房如果空氣中的溫濕度控制不當(dāng)和顆粒物超標，容易滋生各類病菌微生物，產(chǎn)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(shù)醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量不好，通風(fēng)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(yī)護人員感覺到呼吸不暢、抱怨較多。醫(yī)護人員如果長時間處于苯、二甲苯、甲醛、細顆粒物和揮發(fā)性有機物等濃度較高的環(huán)境中，身體容易感到不適，從而無法高效工作。醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞直接影響著醫(yī)院內(nèi)每個人的身體健康，較差的空氣質(zhì)量容易傳染呼吸性疾病，所以非常有必要實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量[4]。

針對如何有效進行醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)的問題，檢測方法和檢測工具已經(jīng)較多。在檢測方法方面，傳統(tǒng)的醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測存在檢測結(jié)果不準確、時效性差、檢測效率低等問題，主要依靠醫(yī)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(zhì)量所呈現(xiàn)的變化趨勢，只能反映取樣點當(dāng)前的空氣質(zhì)量。傳統(tǒng)的檢測工具都為便攜式移動設(shè)備，存在誤差較大的問題，相關(guān)檢測參數(shù)隨著濃度、密度的不同發(fā)生變化[5]。傳統(tǒng)的醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)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(shù)據(jù)[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(shù)據(jù)的性能欠缺[7]。針對以上問題，本文設(shè)計了一款基于LoRa技術(shù)的醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實時監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)，當(dāng)甲醛氣體、細顆粒物PM2.5、揮發(fā)性有機物氣體濃度超過標準值時啟動智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，最大限度降低因空氣質(zhì)量問題對患者及其家屬和醫(yī)院工作人員的身體健康造成的危害。

1 LoRa通信技術(shù)

LoRa 技術(shù)是一種傳輸距離遠、功耗低、抗干擾能力強、多節(jié)點、低成本、易于安裝部署的無線通信技術(shù)，目前在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、智能建筑等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。LoRa網(wǎng)絡(luò)是典型的星型拓撲結(jié)構(gòu)，主要由終端節(jié)點（可內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器組成，可雙向傳輸數(shù)據(jù)[8]。LoRa網(wǎng)關(guān)是傳輸?shù)闹欣^，連接終端節(jié)點和后端服務(wù)器。終端節(jié)點通過無線通信與LoRa網(wǎng)關(guān)連接，再通過以太網(wǎng)絡(luò)或3G網(wǎng)絡(luò)連接到后端服務(wù)器中，終端節(jié)點與LoRa網(wǎng)關(guān)均是雙向通信[9-10]。并且LoRa 技術(shù)的運維成本較低，非常適合應(yīng)用于醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實時監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

為便于安裝、檢修和實時上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實時監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用LoRa和GPRS 技術(shù)相結(jié)合的方式，將采集到的氣體濃度數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后作為智能調(diào)節(jié)模塊的控制依據(jù)，并將氣體濃度數(shù)據(jù)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(jiān)控區(qū)域內(nèi)的溫濕度、甲醛氣體濃度、PM2.5濃度、揮發(fā)性有機物氣體濃度等空氣質(zhì)量監(jiān)測指標。此系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、監(jiān)控中心節(jié)點、GPRS模塊、LoRa模塊、電源模塊、智能調(diào)節(jié)模塊、云平臺、客戶端等組成，空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。傳感器節(jié)點負責(zé)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心節(jié)點。當(dāng)揮發(fā)性有機物氣體濃度或甲醛氣體濃度超標時，傳感器節(jié)點啟動智能調(diào)節(jié)模塊工作。監(jiān)控中心節(jié)點主要負責(zé)接收和處理各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)。當(dāng)PM2.5 濃度超標時，監(jiān)控中心節(jié)點則通過報警方式通知用戶采取相應(yīng)措施。LoRa模塊用于遠程傳輸數(shù)據(jù)，GPRS模塊用于將數(shù)據(jù)實時上傳至云平臺，電源模塊為系統(tǒng)提供電能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點采用STM32F103VET6單片機作為處理器，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.2 傳感器的選型

本系統(tǒng)選用的PM2.5傳感器型號為PMS3003數(shù)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(fā)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(fā)性氣體的含量，甲醛傳感器選用的是DS-HCHO數(shù)字輸出式傳感器。66DBC426-1084-4E1A-B9AE-31DE04CCCD64

3.3 監(jiān)控中心節(jié)點硬件設(shè)計

監(jiān)控中心節(jié)點采用STM32F103VET6單片機作為處理器，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

3.4 智能調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計

智能調(diào)節(jié)模塊由風(fēng)扇、前置濾網(wǎng)、HEPA濾網(wǎng)、活性炭纖維濾網(wǎng)、自催化氧化網(wǎng)和紫外線燈等部分組成。當(dāng)空氣質(zhì)量監(jiān)測指標超標時，單片機發(fā)出指令轉(zhuǎn)動風(fēng)扇，風(fēng)扇吹動污染物通過一系列濾網(wǎng)后，污染物被濾網(wǎng)吸附和降解，達到凈化空氣的效果。前置濾網(wǎng)、HEPA濾網(wǎng)和活性炭纖維濾網(wǎng)三層嵌套使用，可有效清除室內(nèi)空氣中的甲醛氣體、細顆粒物和揮發(fā)性有機物氣體等。活性炭纖維濾網(wǎng)和前置濾網(wǎng)可以直接用清水沖洗反復(fù)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(wǎng)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(wǎng)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(fā)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(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計和監(jiān)控中心節(jié)點的軟件設(shè)計兩部分組成。

4.1 傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點主要由傳感器采集模塊、STM32單片機、LoRa模塊和智能調(diào)節(jié)模塊等構(gòu)成。傳感器節(jié)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(jié)點和監(jiān)控中心節(jié)點連接上之后，傳感器節(jié)點每隔一段時間采集室內(nèi)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)并通過LoRa技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心節(jié)點。傳感器節(jié)點在采集周期外就進入休眠模式，之后當(dāng)達到檢測周期時又重新被喚醒繼續(xù)采集室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。

4.2 監(jiān)控中心節(jié)點的軟件設(shè)計

監(jiān)控中心節(jié)點通過LoRa模塊接收傳感器節(jié)點發(fā)來的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，并傳輸至STM32單片機對數(shù)據(jù)進行融合處理。系統(tǒng)開機初始化后，檢測是否成功連接上各個傳感器節(jié)點，當(dāng)成功連接后接收節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)并進行融合處理，并通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)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(jiān)控區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測指標。LED顯示屏模塊則可以實時顯示采集到的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)超標時，判斷是哪種空氣質(zhì)量監(jiān)測指標超標。當(dāng)判斷為揮發(fā)性有機物氣體或甲醛氣體超標時，發(fā)送指令給傳感器節(jié)點啟動智能調(diào)節(jié)模塊。當(dāng)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(yīng)措施。

5 實驗測試

在某三甲醫(yī)院檢驗科內(nèi)布置實驗測試點，抽取4間實驗室各放置1個傳感器節(jié)點進行實驗測試，并將監(jiān)控中心節(jié)點放置在檢驗科會議室，實時監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)PM2.5、溫濕度、VOCs和甲醛等環(huán)境信息。在兩間實驗室內(nèi)分別放置節(jié)點1 和節(jié)點2 ，采用室內(nèi)空氣質(zhì)量標準抽取方法在12 小時內(nèi)每隔2個小時抽取環(huán)境信息，并做數(shù)據(jù)記錄，表1和表2為實驗數(shù)據(jù)。

從表1、表2可以看出，兩個節(jié)點的環(huán)境數(shù)據(jù)變化情況相似，在12點時PM2.5濃度超標，監(jiān)控中心節(jié)點隨即啟動報警裝置。在14點時甲醛和易揮發(fā)性有機物濃度超標，傳感器節(jié)點隨即啟動智能調(diào)節(jié)模塊，甲醛和揮發(fā)性有機物濃度很快降低到室內(nèi)空氣質(zhì)量標準值下面。實驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準確實時監(jiān)測空氣質(zhì)量監(jiān)測指標是否超標，并能有效吸收、降解甲醛和易揮發(fā)性有機物。

6 結(jié)論

本文設(shè)計一款基于LoRa通信技術(shù)的醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實時監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能用來實時監(jiān)測醫(yī)院室內(nèi)空氣的溫濕度、致病微生物、PM2.5、甲醛、苯、二甲苯和其他揮發(fā)性有機物濃度等質(zhì)量參數(shù)，并對預(yù)警參數(shù)進行自動調(diào)節(jié)，用戶可以在客戶端上通過訪問云平臺查看監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測指標。該系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)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?？蓱?yīng)用于醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實時監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)，最大限度降低空氣質(zhì)量問題對患者及其家屬和醫(yī)院工作人員的身體健康造成的危害。

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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(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用、醫(yī)院后勤信息化。66DBC426-1084-4E1A-B9AE-31DE04CCCD64