封閉式運動場館空氣質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

摘 要：在健身需求不斷高漲的今天，人們對運動質(zhì)量的要求也越來越高。本研究使用傳感器技術(shù)和程序控制技術(shù)，研發(fā)封閉式運動場館空氣質(zhì)量實時監(jiān)測和調(diào)控系統(tǒng)，從而提高封閉式運動場館的空氣質(zhì)量，為人們提供良好的運動健身環(huán)境。

關(guān)鍵詞：封閉式；運動場館；空氣質(zhì)量；實時監(jiān)測

中圖分類號：TP311.13

隨著人民生活水平的不斷提高，運動熱情的加大，人們對于綠色健康運動的意識也在逐步提升，與此同時人們對運動場館空氣質(zhì)量的要求也越來越高。長時間的室內(nèi)運動，人體產(chǎn)生大量的二氧化碳和其他分泌物，這些物質(zhì)隨著場館內(nèi)運動人數(shù)的增加和運動時間的延續(xù)，逐步增多并降低場館內(nèi)的空氣質(zhì)量，影響著運動人群的健康。室內(nèi)環(huán)境的空氣質(zhì)量對人體機能產(chǎn)生一定的影響，尤其是長時間在封閉的運動場館內(nèi)進行高強度運動將產(chǎn)生更大的影響，因此，急需加強對封閉式運動場館空氣質(zhì)量的監(jiān)測和管理，以提高人們的運動質(zhì)量。

如何保障封閉式運動場館的空氣質(zhì)量是研究人員普遍關(guān)注的熱點問題。為了使健身鍛煉的人們能夠達到預期的運動效果，本研究設計并開發(fā)了一種能夠?qū)ρ鯕狻⒍趸?、溫度、濕度等進行實時監(jiān)測的空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，并能夠結(jié)合室內(nèi)換氣系統(tǒng)對場館內(nèi)空氣進行調(diào)節(jié)，改善空氣質(zhì)量，為人們擁有一個舒適健康的運動環(huán)境提供保障。

1 空氣質(zhì)量檢測與改善方法

室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測的方法主要分為三種：化學分析法、氣體耗氧量法和傳感器檢測法?；瘜W分析法使用一定量的空氣樣本，通過一系列的化學反應實驗，并對實驗得到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，從而得到取樣空氣中各項物質(zhì)的濃度。氣體耗氧量法采用了有機物被氧化的性質(zhì)，對室內(nèi)被氧化的氣體進行耗氧量測試，然后通過得到的數(shù)據(jù)結(jié)果來表征室內(nèi)有害物質(zhì)的含量。傳感器檢測法主要是選擇現(xiàn)成的對應類型傳感器，通過電路接口讀取傳感器測得的數(shù)據(jù)，在處理器中進行數(shù)據(jù)分析以后轉(zhuǎn)換為室內(nèi)空氣中有害物質(zhì)的濃度，按照測量原理大致有電容型、電感型、電阻型和電化學型四種類型傳感器。化學分析法和氣體耗氧量法雖然具有較強的可靠性，能對多種有害氣體進行檢測，但是缺乏檢測的時效性，檢測周期較長，而傳感器檢測法具有速度快、集成度高、簡單易用等特點。所以，本系統(tǒng)采用傳感器檢測法實現(xiàn)對空氣質(zhì)量的監(jiān)測。

改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的方法有很多，例如通風換氣、使用空調(diào)、選用空氣處理設備等等。瑞典知名教授Sundell曾經(jīng)就對一百多棟大廈的換氣條件進行過研究，他發(fā)現(xiàn)室內(nèi)通風量大的建筑發(fā)生建筑綜合病的概率就小。由于運動項目的特殊需求，封閉式運動場館內(nèi)必須保持較小的空氣流動，減少氣流對運動的干擾，因此，本系統(tǒng)在監(jiān)測到空氣質(zhì)量降低到臨界值后，將發(fā)出報警信息，并控制換氣扇開啟或者室內(nèi)空調(diào)開啟，以調(diào)節(jié)場館內(nèi)空氣質(zhì)量。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)由采集模塊、接收處理模塊和分析模塊三大部分組成，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。采集模塊主要完成氧氣和二氧化碳濃度、溫度和濕度的檢測，并將檢測數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送至接收模塊。接收處理模塊是系統(tǒng)的主要模塊，主要用于接收采集模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并進行暫存、報警等操作，然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送至分析模塊，當發(fā)出報警信息的同時，開啟排風系統(tǒng)或空調(diào)系統(tǒng)。分析模塊主要完成對數(shù)據(jù)的存儲和分析任務，并控制顯示屏顯示當前空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)功能設計

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集工作由分布在場館四周的五個采集點構(gòu)成，如圖2所示是數(shù)據(jù)采集點位分布圖，采集點將數(shù)據(jù)匯總到接收端后進行相應的處理。

圖2 數(shù)據(jù)采集點位分布圖

數(shù)據(jù)采集包括氧氣濃度檢測、二氧化碳濃度檢測、溫度和濕度檢測四部分，分別采用傳感器技術(shù)實現(xiàn)。氧氣濃度傳感器是一種測量氧含量的電化學裝置，由氧離子導體、參考電極和待測試樣本構(gòu)成，通過測量此裝置的電動勢，即可確定待測試樣本的氧含量或氧分壓。二氧化碳濃度傳感器采用紅外二氧化碳傳感器，由于二氧化碳能夠吸收特定波長的紅外線，以減少穿過測量室的紅外能量，能量減小的程度與二氧化碳的含量有對應關(guān)系，從而得到樣品氣體中二氧化碳的濃度。溫度、濕度傳感器能夠?qū)⒖諝庵械臏囟攘亢蜐穸攘恳黄疝D(zhuǎn)換成電信號，其測量的值一般是溫度和濕度的相對值。

3.2 無線數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)接收端采用單片機進行數(shù)據(jù)接收，并將數(shù)據(jù)保存在存儲芯片內(nèi)。無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵器件是無線通信芯片，本系統(tǒng)選用PTR2000無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，該模塊采用了挪威Nordic公司推出的nRF401無線通信芯片，具有體積小、功耗低、速率高的特點，使用433MHz IGM頻段，是真正的單片UHF無線收發(fā)一體芯片。在數(shù)據(jù)編碼方面，nRF401采用串口傳輸，無須對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼，應用及編程非常簡單，傳送效率較高。

3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)分析模塊采用.Net Framework技術(shù)開發(fā)Windows平臺下計算機應用程序，利用串口數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)獲得下位機上傳的實時數(shù)據(jù)，使用Access數(shù)據(jù)庫存數(shù)數(shù)據(jù)，該模塊是系統(tǒng)的主要程序。管理員使用該模塊可以查看歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、對大屏幕顯示數(shù)據(jù)進行管理、對系統(tǒng)設備進行相關(guān)設定等操作。其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)分析功能流程圖

4 結(jié)束語

系統(tǒng)在設計過程中著重考慮了空氣質(zhì)量測量精度和自動化控制需求，通過合理的硬件選擇和軟件框架設計使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地運行。系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)擬合和數(shù)據(jù)校準技術(shù)實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的準確處理，測量的空氣質(zhì)量以百分比的形式直觀顯示，能夠控制換氣扇和空調(diào)自動開啟與關(guān)閉，能夠?qū)v史數(shù)據(jù)進行分析預處理，安裝調(diào)試方便快捷，對健身人員不會產(chǎn)生任何干擾，滿足各種封閉式運動場館以及健身場所的空氣質(zhì)量監(jiān)測與調(diào)控要求。

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作者簡介：彭偉桃（1994-），男，本科在讀，教育技術(shù)學專業(yè)。

作者單位：天津體育學院，天津 300381

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號：201310071239）。