便携式环境监测仪

李诚涵

研究背景

环境污染已经日益成为威胁人们健康的重要因素，但是现在用于监测环境的空气净化器体积比较大，无法随身携带，能耗较高，续航时间短，智能控制有待加强。因此，本研究希望设计一款便携式环境监测仪，监测环境并提醒使用者避免吸入过多被污染的空气。

研究过程

软件设计

便携式环境监测系统的方案设计分两部分：一是环境模块通过蓝牙与手机绑定，二是手机端启动环境监测与报警系统。

环境模块通过蓝牙与手机绑定：①启动环境模块，蓝牙开始广播;②打开手机的蓝牙，在蓝牙配对界面点击搜索设备，并选中代表环境模块的设备，配对成功后，手机上的APP即可以接收数据。

手机端启动环境监测与报警系统：①启动环境模块，即开启蓝牙与手机连接，并开始通讯连接;②环境模块将检测到的环境数据通过蓝牙传送到手机的APP上，APP随即显示当前的环境数据;③手机APP判断当前环境是否对人体不利;④若是，则APP推送警告信息，并在程序界面上显示建议通风或更换环境;若否，则重新回到步骤②。

硬件设计

主要硬件有主控制器、蓝牙模块、PM2.5传感器、紫外传感器、VOC传感器、温湿度传感器、充电供电芯片。

电路设计及制作：首先利用软件设计电路板，然后进行制作。由于需要将紫外传感器暴露在光照条件下，传感器需要尽可能地靠近外壳上开孔的位置;PM2.5传感器、温湿度传感器和VOC传感器因为有透气的需要，所以需要在电路板上挖一个洞，好让气流通过。

APP设置：使用已经搭建好的某手机蓝牙接收程序，首先将手机上的蓝牙与传感器模块的蓝牙进行配对并绑定。绑定好传感器模块以后打开手机端APP，点击接收数据就可以实时读取数据。如果某一项数值超过报警值的话，手机APP会有消息推送。

外观设计

首先将各个功能模块整合到同一块电路板上，使用的是AltiumDesigner软件。设计成型的系统如图1所示。其中指示灯部分的设计融入了许多时尚元素（图2），整个仪器的外壳采用的是无毒害的树脂材料。监测仪在外观设计上遵循简洁、美观的原则，整体外形呈鹅卵石状，颜色以乳白色为主（图3）。

使用测试

甲醛对传感器的影响：使用不同浓度的甲醛刺激脉冲1.6V的VOC传感器，结果显示，脉冲1.4V的工作模式中VOC传感器对100 ppb甲醛没有响应。连续工作模式下VOC传感器对100 ppb的甲醛有响应。

乙醇熏蒸对传感器的影响：经过5次高浓度乙醇熏蒸，传感器都没有出现损坏的地方。每次测试的乙醇浓度都在45000 ppm左右（数值是根据理论计算所得，可能存在不严谨的地方）。结果显示，高浓度的VOC熏蒸有必要加主校准/老化环节。

烟熏对传感器的影响：经过7次烟熏实验，传感器在高污染环境下依然有响应，没有出现之前完全没有响应的情况。但是，由于长时间的高浓度VOC熏蒸，检测组出现了类似传感器“中毒”的现象。对照组中也出现了类似的情况，这可能是检测组的工装上吸附了大量的VOC导致的。

创新点

简单易用，实用性强：开机即可与手机建立连接，省去了复杂的按钮操作设置的过程，对于不熟悉电子设备操作的人来说非常友好。

体积小巧，易于携带：本产品体积不到一个小型鼠标大小，重量也和一个鼠标相近，携带起来非常轻便。外观设计加入了诸多时尚元素，兼具美观和实用性。

功能丰富，涵盖日常生活中常见环境危害检测方法：VOC、PM2.5、紫外线、温湿度是人们关心最多的4个环境条件，本产品集成了4个高精度的功能传感器，满足了绝大多数人的需求。

续航时间长：充电1次就可以连续工作3-4天，产品耗能低且电池容量较大，可长时间连续工作。

应用场景广泛：无论是户外还是家里、办公室、装修现场等室内场所，本产品都能发挥其环境监测的功能，不受地域和天气条件的限制。

可拓展性强：丰富的创新配合较经济的售价，产品前景比较好。

可拓展的功能

此次设计只完成了部分设想，我觉得在环境监测功能实现的基础上还可以进行深度开发，实现以下拓展功能。

更长的续航时间：现在的便携式环境监测仪充满电后可以连续使用3-4天，如果可以像小米手环一样充1次电用1个月就能让使用者感觉更加方便。

更多的传感器：生活中的电磁波、辐射等对人体也有很大危害，如果这些也能检测出来，那么使用范围就更广了。

加入智能识别的功能：实验中发现在一些特殊场合，有一些参数之间是有相关性的，比如温度不变的时候，如果湿度逐渐增加到了70%，那么很有可能是外面下雨了，以此为依据可以智能识别出外在环境并作出提示。

手机端需要更好的人机交互界面：加上一些卡通图案和有特色的曲线或图表的话，使用起来会更加舒心和顺手。

手机云端大数据功能：如果可以把很多环境监测仪的数据都上传到云端，通过大数据，就可以形成一张比较详细的周围环境质量地图，那么在使用者靠近受污染的区域前就可以提醒他们注意。

该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组工程学一等奖。

专家评语

本项目实现了VOC、PM2.5、紫外线、温湿度的集成監测，并可与手机连接，方便实现。方案合理，设计全面，有推广应用价值。项目在监测仪的软件和硬件设计方面有较强的创新性。不足之处在于测试精度及可靠性方面。建议进一步优化设计，形成产品，并通过权威部门检测，进行推广应用。