中小学校园健康环境在线监测系统初探

贾泽婧（上海市浦东复旦附中分校，上海　201209）

随着我国国民经济发展和科学技术水平的提高，人们对于学习、生活的安全性、舒适性要求日益增长[4]。尽管目前已经在大部分城市安装了 PM2.5 监测设备，但这些监测点是相对城市之间设立的，区域范围比较大，不能确切反映出具体某一个地点的污染指数，特别是教学楼、工厂等人口密度比较大的场所。学校校园是同学们日常集体学习、生活、运动的场所，校园生活的一天，从早自习 7：30 开始，到下午 16：00 左右放学，有的学校还有晚自习，同学们的在校时间超过 8 h 以上。每日大于 1/3 的时间生活在学校，校园内的环境空气质量直接影响同学们的身体健康，也影响同学们的学习效率。目前，国内市场上对校园环境的检测主要是针对新学校、新教室的空气质量作某一时间段内的衡量，并且只是单一仪器测量，没有做到 24 h 实时监控，也没有形成网络。

基于以上情况综合分析，本文提出开发一种中小学校园健康环境在线监测系统，应用现代物联网技术，通过不同类别的空气监测传感器，实时、在线、定量化地反映实际校园环境，对照是否满足适合学生人群体质的环境空气指标，根据实际校园内环境监测数据，可为学校管理人员提供环境质量的优化调节方案，保障学校校园的环境质量。

1　校园的环境质量

实现校园的健康环境，既包括学校教室、图书馆等室内环境，也包括学校操场、运动场等室外环境。影响校园环境的因素很多(图1)。一方面，来自于学校周边，有城市大气环境污染的影响，如大气灰霾 PM2.5 污染、SO2污染；也有校园周边的环境污染，如机动车尾气、交通车流噪声、加油站散发 VOC (可挥发性有机物)，甚至有路边烧烤、饭店油烟等。另一方面，来自教室内，桌椅家具会散发出甲醛、苯等化学污染物，室内建筑内墙涂料散发 VOC 挥发性有机物；教室内的学生人群呼吸可引起室内 CO2浓度过高发困，以及流行性感冒的病菌传播引起的交叉污染等。另外，来自操场上，不良的校园塑胶跑道材料可引起学生急性中毒事件。

图1　校园环境的影响因素关系

2　校园环境质量依据及监测指标

环境监测是运用现代化的科学技术手段测取数据，并把环境数据资料加以运用的科学活动，是用科学的方法监视和监测反映环境质量及其变化趋势的各种数据的过程。

现有的相关环境标准，包括适合室外及周边环境的环境空气质量标准[2]，以及适用于室内环境的相关标准[3-4]。对室外运动场塑胶跑道，上海市 2016 年已出台相关污染限值标准[5]。参考以上环境标准，同时结合考虑学生身体素质低于成年人，以及考虑提供良好的环境可提高学习效率，对校园健康环境质量水平应该高于以上参考标准。根据上文提及的典型污染，本文筛选出适合中小学校园的可在线监测的环境指标，并提出相关限值浓度，见表1。

3　校园环境在线监测系统

为实现校园长期保持健康环境，作者设计一套在线监测系统，如图2。该设计主要包括绿色供电系统、环境在线监测传感系统、数据采集传输系统、数据发布系统。该系统能实时监测校园内各个监测点的温度、湿度、光照情况、PM2.5 等数据，并将监测数据通过网络传递到校园环境监测中心平台，进行有效发布。

表1　校园环境空气质量监测参数及限值

图2　校园健康环境在线监测系统设计

3.1　绿色供电系统

绿色供电系统用于满足校园在线监测系统的用电保障。为实现校园健康环境理念，节约能源，本设计采用风力机发电与光伏板发电系统做为绿色能源(图3)，如有发电结余，可通过电池蓄电，用于校园晚间路灯用电。当风力和光伏发电不足条件下，可连接市供电系统作为备用应急电源。

图3　光伏与风力发电绿色供电系统

3.2　环境在线监测传感系统

环境在线监测传感系统，是指使用传感器等微小的敏感元件，对室内环境空气指标实现连续自动的测试技术。空气传感器具有微型化、集成化、抗腐蚀的优点，通过使用一个或多个传感器集成应用，可以大大降低使用环境及人员技术的要求。

根据上文提出的室内、室外环境监测指标，对校园里的教室、实验室、大礼堂等室内环境安装甲醛、TVOC、PM2.5、CO2在线监测传感器元件(图4～7)，普通教室、实验室可在前后各放置1个测量节点，高度可按学生坐高来定，主要测试呼吸集中区域的数据；大礼堂等室内面积比较大，可多放置几个测量节点。在校园操场等室外附近可安装甲醛、PM2.5、TVOC 等在线监测传感器元件。对于有特殊要求环境，可安装其他传感器，如臭氧、噪声等相关传感器元件。对室外周围环境有多个污染源时，可安装气象环境系统，可测风速、风向、气温、扬尘等，以判断污染源的来源和强度。环境测试用传感器可按如下方式选择。

(1) 甲醛传感器。甲醛传感器(图4)采用两电极电化学式的扩散原理，与精良的电路设计紧密结合，进行气体浓度的测量。在甲醛气体存在时会产生微小的电流，同时对醇类、苯和萘等气体也有一定程度的响应。传感器自身不需要电源，但需要放大电路以使其可被外部数据采集设备所用。

(2) TVOC 传感器。TVOC 传感器(图5)是用来测试室内空气污染物的传感器。TVOC 是一类重要的空气污染物，在常温下可以蒸发的形式存在于空气中，它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的气味性，会影响皮肤和黏膜，对人体产生急性损害。

(3) PM2.5 激光传感器。现有对颗粒物检测的传感器主要有两种：红外原理粉尘传感器和激光原理粉尘传感器。红外原理粉尘传感器只能检测到 1 μm 以上的颗粒，而激光传感器可以检测到 0.3 μm 以上的颗粒。因为自带高性能CPU，采用风扇或鼓风机采集大量数据，经由专业颗粒计数算法分析，可获得较为准确的浓度值。因此，对 PM2.5指标的测试一般选用 PM2.5 激光传感器(图6)。

(4) 气象监测微站系统。采用气象监测微站系统(图8)可准确、高效地采集输电线路气象信息。监测系统安装于输电线路环境气象比较复杂的区域，主要对输电线路走廊局部气象数据及其变化状况进行探测与采集，如温湿度、风速、风向、雨量、气压、日照等。

(5) 气体传感器。MEMS 微结构气体传感器(图9)近年来发展速度迅猛，为了满足检测需求，在同一片基体上可以同时集成多个气敏单元，形成气敏阵列结构，通过模拟神经网络算法可以同时检测出混合气体中每种气体的浓度值。除使用以上单项功能的传感器外，本文推荐采用 MEM 微结构类型气体传感器，来有效地控制工作温度，减少环境的影响，最大限度地提升气敏材料的气敏特性。

图4　甲醛传感器

图5　TVOC传感器

图6　PM2.5激光传感器

图7　CO2传感器

图8　气象监测微站系统

图9　MEM微型气体传感器

3.3　数据采集传输系统

数据采集传输系统是整个系统的基础，负责采集在线监测数据，并通过通讯网络传给校园监控中心。在该系统中，在线监测数据采集的时间及频次等功能由监控中心的服务器控制。现场监测设备需要配置数据采集器，监测仪器可采用多种数据输出方式，实时采集在线监测数据，同时将数据封装成 UDP (用户数据报文协议)格式数据包，然后按照 IP 协议格式加上报头和报尾封装成 IP 数据报。无线通讯模块将数据报转化成短消息，通过无线链路传送到 GPRS 服务支持结点，将数据分组，发送到 GPRS 网关支持结点，由其对数据进行协议的转换，实现从 GPRS 网络到因特网的转换，再根据其目的 IP 选择路由传送到校园监控中心。

3.4　数据监控发布系统

对校园健康环境进行监测，设立校园环境监测中心平台，可用于环境数据的存储、分析和实时发布。然后由监测平台发布校园内各教室、实验室的实时环境情况。

3.4.1校园监控中心

监控中心分为一级监控中心和二级监控中心。一级监控中心可设在市或区教育局，主要负责接收监测仪器通过GPRS 终端传输来的数据，数据采集指令也由一级监控中心服务器实现，然后对数据进行存储和处理，再通过有线网将数据传输到二级监控中心即各学校监控平台，由其对数据进行处理。两级监控中心分别部署一个通讯服务器软件、数据收发服务器软件和数据库服务器软件，负责同 GPRS 终端进行数据通信、数据分析和数据转发。

一级监控中心发出数据采集指令，当现场数据采集器收到后，即向监控中心发送数据，如中心收到的数据无误，则通过自动监测站继续传递监测数据，同时将仪器运行状态、环境状态等状况信息向监控中心发送。数据收发软件中设有监控所需的 DBF 数据库，系统首次运行将首先检索连接的数据库，如果安装设备的自动站与系统原设置的数据库连接不符合，系统自动提示进行数据库连接设置。数据收发服务器中的数据经过信息渡船进到专网，最后存储到数据库服务器中。

3.4.2数据监控与发布系统

校园监控中心进行数据存储后，可通过手机 APP 软件进行发布，或微博账号进行当前的环境参数及相关数据的发布。可显示单个或多个监测点的监测数据，同时显示城市公共环境监测数据。这一系统能让学生和家长通过手机了解校园环境空气水平，或者接入校园 LED 公告发布板，或通过互联网发布，实现校园环境信息的有效发布传播。

数据监控管理与发布系统是整个系统的核心，功能组成主要包括数据信息处理及加工、环境管理决策信息发布两部分，集数据收发、计算、统计、分析、表征、发布为一体。监控中心数据收发服务器通过宽带网与因特网相连，环保系统各应用部门通过光纤与省或市监控中心专网服务器相连，不具备光纤相连条件的终端通过因特网与省监控中心数据收发服务器相连。数据监控管理与发布系统数据来源主要类别为来自各教室、图书馆、实验室的甲醛、PM2.5、CO2、温湿度等；来自室外监测点的甲醛、PM2.5、气象参数监测系统等。

在信息处理及加工部分，可以通过查询界面对自动监测仪器的实时数据和历史数据进行查询，可查询各指标的小时均值、日均值、月均值等，可查询各类污染指数、质量级别、状况，形成日报、周报、月报等，并通过表格、柱状图、曲线图进行显示；可显示仪器运行情况和现场仪器的图片，显示测试站的位置、实时变化的数据、污染指数、超标警报等。

3.5　预警与处置

对于来自室外环境污染物侵入室内时，如室外灰霾PM2.5 污染，应考虑关闭门窗，通过新风过滤系统、空气PM2.5 净化器降低PM2.5浓度。如由室内源引起污染，需要判别室内污染源，如课桌椅、墙面装饰材料、内墙涂料、胶黏剂等污染问题，应及时更换建材装修材料和污染桌椅；如是学生密集引起的 CO2浓度过高，应考虑提高通风水平等相应措施。

对环境监测也可以实现预警，如对室内 PM2.5 浓度或室内空气质量设置污染水平级别，分别设立优、良、中、差的环境质量级别。当环境条件为“差”时，认为教室环境无法满足正常的学习环境，应考虑学生休假等方式设置预警解决方案。通过以上在线监测系统，基本可以满足对校园内各环境参数的监测功能要求，实现校园环境质量的实时监控。

4　结 语

本文提出了一种校园健康环境在线监测系统，目的是实现健康校园环境目标。在智慧校园、绿色校园、节能型校园的背景下，以学生们的健康为设计目标的健康环境校园更体现以人文本的理念。

随着物联网和传感技术的发展，对校园环境监测系统可以更广泛的拓展，不仅包括空气质量环境，还可以包括声环境、光环境、热环境、细菌污染环境，确保校园内学生和老师的健康，以及营造良好、舒适的学习环境，提高学习效率，增强身体素质，杜绝学校传染病传播等。

参考文献：

[1] 孙煜.智能化建筑对建筑设计的要求[J].中国住宅设施,2017(9).

[2] GB 3095-2012环境空气质量标准[S].

[3] GB 18883-2002室内空气质量标准[S].

[4] GB 50325-2010民用建筑工程室内空气环境污染控制规范[S].

[5] T/310101002—C003—2016学校运动场地塑胶面层有害物质限量[S].