一種便攜式特勤人員療養環境監測設備的研制

李盼盼，周靖博，王 軍，劉兆強

（戰略支援部隊興城特勤療養中心，遼寧興城 125105）

0 引言

特勤療養是以空勤、海勤、涉核等特勤人員為保障對象的特殊類型的療養，對療養環境有很高的要求[1]。療養環境是指療養員在療養過程中所處的自然環境，包括紫外線強度、氧氣體積分數、負離子濃度、溫度、濕度等環境因子。特勤療養重點研究環境因子連續作用對阻斷有害因子的作用機制[2]，但療養機構各種環境因子的含量具體為多少，一直缺少確切、翔實的數據。傳統獲取環境數據的方法有2種，一種是每天從當地氣象臺獲取，但是存在一些明顯的缺點：（1）氣象臺提供的數據有限，無法提供負氧離子含量、光照度等數據；（2）氣象臺提供的數據是一個大區域的環境均值，而療養機構一般建址于海邊或是山區等遠離市區的地方，因此氣象臺提供的環境數據相對于療養機構的地理位置來說不準確，而療養員的療養活動必須根據療養場地的微環境來決定。第二種方法是直接購買監測設備，但市面上現有的環境監測設備一般只能提供單種環境數據的監測，無法同時對多種環境數據進行監測。基于上述原因，我中心以特勤人員健康需求為牽引，緊緊圍繞特勤療養工作實際，于2017年研發了一套固定式特勤人員療養環境監測設備，該設備功能全面，集12種環境因子的監測于一體，解決了特勤療養活動缺乏翔實數據支撐的問題，但該設備沉重（質量＞1000 kg）、造價昂貴，只適合固定場地的環境監測，不適合大規模裝備且不能夠對特勤人員外出景觀療養時進行伴隨保障。為解決上述問題，我中心在原有固定式環境監測設備的技術基礎上研發了一種便攜式特勤人員療養環境監測設備。

1 設計原理

本研究采用單片機控制不同傳感器模塊來實現多種環境因子的檢測功能[3]。設備以自行設計的主電路板為核心，主電路板一側包括控制模塊（Arduino平臺、Mega2560開發板）接口，另一側包括顯示模塊接口、供電模塊接口、風扇組接口以及各環境因子檢測模塊的電源及通信接口等（如圖1所示）。利用主電路板上的對應接口，將本設備所需的不同模塊整合為一體：供電模塊由鋰電池組和電壓轉換模塊組成，用于給控制模塊、顯示模塊、風扇組和各環境因子檢測模塊供電，各環境因子檢測模塊負責檢測數據并發送至控制模塊，控制模塊對收到的信息進行分析計算，將結果呈現在顯示模塊。通過對主電路板上接口的調整，能夠便捷地進行不同傳感器模塊的更換、升級，便于維護及功能拓展。

圖1 便攜式特勤人員療養環境監測設備組成框圖

2 結構設計

2.1 整體結構設計

設備采用高強度鋁合金作為機身材料，具有輕便、強度高、抗氧化能力和耐腐蝕能力強的特點，顯示屏用特種專用防護玻璃覆蓋?？紤]到設備的移動使用屬性，采用嵌入式低功耗設計方案，將整機功率控制在10 W左右，并采用12 V大容量（25 Ah）鋰電池組供電，能連續工作23 h。設備尺寸為105 mm×267 mm×220 mm（長×寬×高），質量為 7．8 kg，小巧輕便，便于攜帶和使用。

2.2 外部結構設計

設備殼體由蓋板、橫梁、把手及地腳組成，整個電路系統經合理優化后置于殼體內，殼體外側設置相應的孔位，用于安裝開關、按鈕、顯示屏等，以便人員操作及數據顯示。殼體采用雙殼體設計，外殼體和內殼體相配合，形成2個腔體，提高了機箱整體的防水效果（防水等級為IPX1）。設備包括上、下、左、右、前、后6個面板，不同位置的面板提供了不同的功能。該設備外觀時尚、功能實用、便攜可靠、抗震防水，實物圖如圖2所示。

圖2 便攜式特勤人員療養環境監測設備實物圖

2.3 內部結構設計

該設備的內部結構如圖3所示，主控電路板一側為Mega2560開發板，另一側為各環境因子檢測模塊，為防止Mega2560開發板與后面板接觸短路，在后面板內側加裝了一層橡膠絕緣墊片。前面板和右面板分別設置一組風扇，用于設備內部換氣，其中進氣風扇位于前面板，排氣風扇位于右面板。內部右側為鋰電池組，具有剩余電量顯示功能。上面板中央有環境因子顯示屏。

圖3 便攜式特勤人員療養環境監測設備內部結構示意圖

2.4 操作面板結構設計

該設備操作面板即為前面板，包括直流電充電孔、電源開關、重置按鈕、參數顯示屏、電量顯示屏、調零按鈕、量程設定按鈕、風扇開關、進氣風扇等。直流電充電孔的孔徑為3．5 mm，內針芯粗1．1 mm，所屬的直流電底座與鋰電池組直接相連；電源開關選用直徑16 mm的金屬按鈕，帶燈環；重置按鈕用于設備系統錯誤時恢復默認設置；參數顯示屏選用2．42 in（1 in=25．4 mm）OLED 屏幕，用于顯示監測持續時間及監測次數等參數；電量顯示屏采用5位LED燈分色顯示；調零按鈕、量程設定按鈕用于控制負氧離子檢測模塊；風扇開關選用鈕子開關，用于控制風扇組的閉合；進氣風扇選用直徑5 cm、5 V靜音風扇，可吸入空氣到儀器內部。

3 功能實現

該便攜式特勤人員療養環境監測設備質量輕、結構緊湊、內置電池、便于攜帶，且儀器內置外接電源接口，可外接交流電源實現長時間連續檢測，測量范圍廣，能夠同時檢測空氣中的負氧離子、PM2．5、PM10、O2、CO、CO2、SO2，以及溫度、濕度、氣壓、紫外線強度、光照度共計12種環境因子。其中，負氧離子、O2、溫度、濕度、氣壓、紫外線強度、光照度為療養因子指標，對療養員的日常保健具有重要意義；PM2．5、PM10、CO、CO2、SO2為異常環境監測指標，用于對療養環境進行異常監測和預警。該設備主要選用Arduino平臺進行開發，采用Mega2560開發板、HD50-I2C以及10種不同類型的傳感器模塊，現對主要模塊介紹如下。

（1）控制模塊。

選用Arduino平臺的Mega2560開發板，其適合需要大量輸入輸出接口的設計。Mega2560開發板的核心處理器是ATmega2560，其具有54路數字輸入輸出接口、15路模擬輸入接口、4路通用異步收發傳輸器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）接口、1個16 MHz晶體振蕩器、1個USB接口、1個電源插座、1個程序下載接口和1個復位按鈕[4]。

目前，市場對零部件尤其是汽車零部件的加工精度要求越來越高，而汽車制造企業及零部件供應商又面臨著巨大的成本壓力，這無疑是一個挑戰；同時，汽車制造業的自動化、智能化發展已經成為了趨勢，如何利用先進的自動化設備提高自身的生產效率，降低綜合成本，提升整體競爭力是每個企業都必須考慮的要素。埃馬克的此次展會上，無論是配備高性能焊接工藝和自動換裝工件夾緊技術、可靈活批量加工各種不同工件的ELC?160激光焊接機，還是利用感應淬火技術實現低成本、高效率、高精度加工效果的MIND-M?1000感應淬火機床，無一不展示出了埃馬克的自動化加工理念。

（2）顯示模塊。

選用HD50-I2C顯示模塊，該模塊支持Arduino平臺，采用5 V供電，擁有1塊5 in的薄膜場效應晶體管（thin film transistor，TFT）液晶顯示屏。該模塊自帶64 MiB的內存，能存儲BMP格式的圖片文件，通過集成電路總線（inter-integrated circuit，IIC）接口與單片機連接[5]，實現彩色圖形信息顯示。

（3）負氧離子檢測模塊。

選用KEC-990傳感器，工作電壓為9 V，其核心傳感器采用最新鍍金工藝生產的高靈敏的極化平行電板，大幅提高了對大氣中的游離態離子收集率，克服了同類產品存在的離子收集率不高、檢測數值飄移不穩的缺點。

（4）顆粒物檢測模塊。

選用PMSX003傳感器，工作電壓為5 V，采用激光散射原理，可以用于獲得單位體積內空氣中PM2．5和PM10的個數及質量，即顆粒物濃度，并以數字接口形式輸出。

選用KE-50傳感器，該型傳感器采用電化學反應原理，無需外部電源，將氧氣體積分數轉換為電壓值輸出，幾乎不受CO2、CO等氣體的影響，測量范圍為 0～100%，精度為±1%[6]。

（6）二氧化碳檢測模塊。

選用MG811傳感器，工作電壓為6 V，帶溫度補償輸出，具有快速的響應恢復特性，穩定可靠，測量范圍為 0～10000 ppm（1 ppm=1×10-6）[7]。

（7）溫、濕度檢測模塊。

選用AM2302傳感器，工作電壓為5 V，包括1個電容式感濕元件和1個高精度測溫元件，具有響應超快、抗干擾能力強、性價比高的優點，溫度的測量范圍為-40～80℃、精度為±0．5℃；相對濕度的測量范圍為20%～90%、精度為±2%。

（8）紫外線強度檢測模塊。

選用 UVM-30，工作電壓為 3．3 V，精度為±1 UV index，響應的紫外線波長范圍為200～370 nm。UVM-30是一種專為需要高可靠性和精確性測量紫外線指數的場合所設計的傳感器[8]。

4 應用效果

該設備從2018年1月開始研制，經過技術路線設計、電子器件選型、電路設計及加工、設備外觀設計、結構設計、器件安裝、整機調試等階段后，于2019年3月研制成功并在我中心正式投入運行。

與市面上現有的便攜式環境因子監測設備相比，該設備大大地拓寬了環境因子檢測的種類，能夠同時對負氧離子、PM2．5、PM10、O2、CO、CO2、SO2、溫度、濕度、氣壓、紫外線強度、光照度共計12種環境因子進行檢測，且測量結果精確。經過測試驗證，該設備的測量誤差在合理范圍內，其中負氧離子的測量誤差低于 15%，PM2．5、PM10的誤差低于 10%，相對濕度、光照度的測量精度能達到±0．5%，溫度、紫外線強度、氣壓的測量精度分別為±0．5 ℃、±1 UV index、±1 hPa，O2、CO、CO2、SO2的測量誤差均低于 3%。

與我中心之前研制的固定式特勤人員療養環境監測設備相比，該設備雖然減少了對風速、風向以及火焰的監測，但是卻解決了固定式設備的體積大、質量重、生產成本高的缺點，其中體積縮小了約97%，質量降低了約99．5%，生產成本只有固定式的20%。

該設備運行一年半以來，安全、穩定，累計保障療養員超過200個批次，為我中心的特勤療養工作提供了很大的便利。

5 結語

便攜式特勤人員療養環境監測設備功能全面、輕巧便捷，完全符合特勤療養的環境監測實際需求，進一步拓寬了特勤人員療養環境的監測范圍，提高了療養效果和我中心在療養環境數據方面的科學管理水平，加速了特勤療養事業的發展，對我軍特勤療養具有重要的意義。但該設備在數據呈現方面也存在缺點，檢測數據只能夠顯示在屏幕上，不能夠保存和讀取，在下一版設備的改進過程中應考慮上述不足。