基于傳感器的多功能創新環境檢測實驗裝置設計*

謝偉雪 ，萬家秀

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730021）

在“雙創”時代背景下，隨著我國工業結構調整與產業技術升級，面向“高能耗、高物耗、高污染”的監測優化系統將有較大的需求。為了滿足實現循環經濟和節能減排的要求，鋼鐵、石化、電力、有色金屬等企業對環境監測系統和安全監測系統的需求進一步增加。同時，隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，人民群眾對生產生活健康環境提出了新的要求。高校環保專業在環境監測教學實踐過程中需要培養復合型人才，原有的單一環境檢測裝置不再能滿足教學和企業的需求。大學生是最具創業活力和潛力的群體，這就要求教師首先要提升創新創業能力，開發設計和研制符合環境檢測的多功能實驗裝置，以滿足教學要求。本文在創新創業教育的背景下，針對在環境污染物檢測過程中需要綜合、快速、準確檢測出各污染物指標數據的要求，分析了多功能環境檢測實驗裝置開發設計的必要性，并設計了可以實現準確檢測環境空氣中多種污染物指標的多功能高效創新檢測裝置[1-2]。

1 環境檢測綜合實驗裝置開發設計的必要性

隨著社會的發展進步，環境空氣中污染物種類也不斷增多和復雜化，所以要求生產企業和高校在環境評價和大氣環境污染物檢測過程中綜合、快速準確地檢測出各種污染物指標的數據[3]。目前，對于大氣環境中污染物的檢測主要有便攜式的各種氣體和粉塵檢測儀，這些檢測儀檢測污染物的范圍很窄，都只能檢測一種氣體和粉塵污染物，具有局限性，不方便戶外教學環境污染物多指標的檢測和分析[4]。因此，課題組創新研制了一種結構簡單合理、便攜性好、自動化程度高并可用于各行業企業和高校實驗教學的多功能環境檢測綜合裝置，以實現環境空氣中多種污染物的檢測[5-10]。

2 多功能創新環境檢測實驗裝置設計

針對上述技術問題，課題組創新設計了一款基于傳感器的多功能創新環境檢測實驗裝置，如圖1所示。

圖1 多功能創新環境檢測實驗裝置設計圖

多功能創新環境檢測實驗裝置設計主要以結構簡單、便攜性好、自動化程度高、運行維護簡單、實用性強為目的。由圖1 可知，多功能創新環境檢測實驗裝置可實現三種用途，移動傳感器是可以拆卸的，利于學生和企業人員的安裝練習和研究；帶有USB接口，在檢測工作完成后可以獲取數據進行分析研究；多種傳感器包括氣壓傳感器、光照度傳感器、O2傳感器、溫濕度傳感器、NH3傳感器、甲醛或CO2傳感器、SO2傳感器、CO 傳感器、噪聲傳感器、PM10或PM2.5傳感器等，通過這些傳感器可將環境空氣中的物理指標和各項污染物指標含量轉換為電訊號，并在觸摸屏上顯示各指標含量的實時數據和實時曲線。

3 基于傳感器的多功能創新環境檢測實驗裝置設計

多功能創新實驗裝置外觀和結構示意圖，如圖2所示。多功能創新實驗裝置設計成長方體箱體，采用三層結構，上蓋可以拆卸，中間為指標檢測底板，下層為儲物層。多功能創新實驗裝置中間層指標檢測底板結構示意圖，如圖3 所示。指標檢測底板包括液晶顯示屏、裝置電源開關、交流供電電源插口、直流供電電源插口、揚聲器、移動傳感器終端模塊、各類固定傳感器、傳感器擴充插槽等。

圖2 多功能創新實驗裝置外觀和結構示意圖

圖3 多功能創新實驗裝置中間層指標檢測底板結構示意圖

3.1 液晶顯示屏

液晶顯示屏主要包含一個10.1 寸TFT 觸摸屏和一個USB 接口，主要作用是顯示各傳感器的類型、實時數據和實時曲線。USB 接口用來下載存儲數據；在TFT觸摸屏上有語音自動播報按鈕，主要用來進行語音播報，播報各類傳感器所測污染物指標的特點和形成過程。

3.2 裝置電源

裝置電源主要包括裝置電源開關、交流供電電源插口、直流供電電源插口、揚聲器。裝置電源開關主要作用是給指標檢測底板通電，并給整個檢測指標底板供電；交流供電電源插口主要作用是給裝置供電，用于室內或室外環境空氣的環境檢測采集數據；直流供電電源插口主要作用是連接蓄電池給裝置供電，有利于便攜式室外測定環境空氣中的各類污染物指標；揚聲器主要作用是將語音自動播報電信號轉化為聲信號，進行播報。

3.3 移動傳感器終端模塊

移動傳感器終端模塊是可動模塊，包括一個3.2寸彩色液晶屏、氣壓計和光照度傳感器。3.2 寸彩色液晶屏主要作用是顯示測定環境的氣壓計采集和光照度采集的數據；氣壓計和光照度傳感器的作用是將環境空氣中的氣壓和光照度轉換為電訊號，并在彩色液晶屏上顯示數據。

3.4 各類傳感器

各類傳感器主要包括O2傳感器、溫濕度傳感器、NH3傳感器、甲醛/CO2傳感器、SO2傳感器、CO 傳感器、噪聲傳感器、PM2.5/PM10傳感器等。主要作用是將環境空氣中的O2含量、溫濕度、NH3含量、甲醛/CO2含量、SO2含量、CO 含量、噪聲、PM2.5/PM10含量等轉換為電訊號，并在TFT 觸摸屏上顯示實時數據和實時曲線。

3.5 傳感器擴充插槽

傳感器擴充插槽可以增加各類傳感器，并測定實際需要的環境檢測指標。

4 基于傳感器的多功能創新環境檢測實驗裝置設計優勢

1）本環境檢測實驗裝置結構簡單，采用三層結構，上蓋可以拆卸，有利于檢測過程的隨意移動并適應檢測環境；中間為指標檢測底板，可以測定各類環境污染物指標的實時數據；下層為儲物層，非常方便，可儲存電源、蓄電池和測定時的手套、口罩等物品。

2）本環境檢測實驗裝置使用方便，可以采用交流外電源或是采用直流蓄電池電源進行供電，便攜程度高，可以適用于手提室外或室內檢測環境空氣中的各類污染物指標。

3）本環境檢測實驗裝置采用雙液晶屏設計且具有語音自動播報功能。10.1 寸TFT 觸摸屏和3.2 寸彩色液晶屏，顯示屏大，顯示數據清晰明了，有利于讀數和觀察數據的實時變化；語音自動播報功能可以播報每種污染物的形成過程、特點、在環境空氣中的濃度限值以及對人體和生態環境造成的影響等，有利于檢測人員更好地對采集數據進行理解和掌握。

4）本環境檢測實驗裝置采用的移動傳感器終端是可動模塊和傳感器擴充插槽。根據檢測地點的特點，可動模塊的氣壓和光照度可以有選擇性地檢測，減少了測定的時間，加快了測定的速度；傳感器擴充插槽可以根據需要增加傳感器測定環境檢測指標，并且用于教學時可以讓學生親自動手研究可動模塊的傳感器。

5）本環境檢測實驗裝置充分利用10 類固定傳感器，準確測定出13 種環境空氣中的污染物指標數據及其實時曲線，裝置支持傳感器種類非常全（聲音、光、電、氣體等），是集學習、應用編程、開發研究于一體的多功能創新檢測裝置。

5 結論

基于傳感器的多功能創新環境檢測實驗裝置是一種智能化、室內室外兩用、便于攜帶且可以實現準確檢測環境空氣中多種污染物指標的高效創新檢測裝置，該裝置可用于企業和高校實驗教學，自動化程度高，運行維護簡單，實用性強，具有創新性。