基本信息
- 项目名称：
- 多功能空气质量智能检测仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品是一种小型独立安装的综合空气检测仪，采用太阳能市电互补、太阳能追踪、GPRS/GSM无线通讯，上位机软件等技术。可实现数据独立显示、数据无线传输和大规模联网检测以及远程控制等功能，能对大气的多个空气质量要素进行检测和实时新闻播报。在微控方面采用ARM单片机进行模块化处理，可以模块插接式增减。在传感器的使用方面利用了两个空气采集室，与当前传感器技术比较，使用寿命更长，准确性更好，适用范围更广。
- 详细介绍：
- 随着经济的持续发展，工业的不断进步，环境污染日益严重，大气污染成为备受人们关注的环境问题之一。实时的告知人们周围空气污染情况及做出科学的评价，对其发展的预测和有效地治理有重要意义。但当前的气象监测系统存在诸多弊端。为此，我们设计一种小巧的多功能空气质量检测设备，具有准确度高、稳定性好、节能环保、电路设计创新、可扩展性强、软件设计灵活、传感器模块选取多元化、性价比高等多个特点，在满足环境监测部门的特殊要求的同时，也给广大百姓带来切身利益，因此研究该检测仪具有重大意义。检测仪的组成与功能 多功能空气质量智能检测仪是一种小型的综合空气质量检测设备，采用太阳能供电，对大气的温度、湿度、风向、风速、SO2、CO2、NO2、粉尘等多个空气质量要素进行检测，并能实时显示这些数据，同时可通过GPRS/GSM实现无线通讯。上位机软件大大改善了人机界面，实现实时新闻播报的功能。 作品研究的基本思路与部分介绍（1）基本思路 本检测仪主要由四个模块组成：供电模块，软件控制模块，信号采集模块，无线传输模块。设计思想是由可追踪的太阳能板和市政电力为整个系统提供必要的电能，采用ARM微处理器作为主控制器来分析由众多传感器采集到的信号，将最终结果显示在LED屏上，并通过无线通信将数据发到总监测站。（2）作品特点 Ⅰ 低功耗，节能环保 该监测仪的功耗主要来自于6个模块，即传感器模块、信息采集单元的FLASH、电平转换单元、LED显示屏、无线收发模块与太阳能电池充电控制单元。为保证系统具有尽可能小的平均功耗，将其又分为整体休眠与正常工作两种状态。所谓整体休眠,即使得传感器模块、信息采集单元与无线传输模块处于接近于零功耗的状态。激活方式分为定时激活与随机激活,而定时激活的间隔是可以通过参数设置灵活改变的。例如,空气污染严重期间各气象参数波动较大,定时激活间隔可以适当相对减小,反之可适当加长。另外该检测仪的太阳能供电模块的发电效率在相同尺寸下可达到最大化，例如，尽可能加大太阳能电池板的覆盖面积、选用光电转化效率最高的单晶硅太阳能电池板等。 Ⅱ 先进的太阳能发电技术 为了有效的降低使用成本，提高发电效率，本检测仪的供电模块运用最大功率跟踪技术（MPPT），用光电传感器测量日照信号后随着此信号的变化，用小型电动机自动转动太阳能电池板（单晶硅）改变其倾角，使其始终朝向太阳。 通过太阳能电池板得到的电能，一方面推动负载工作，另一方面将剩余电能储存在可替代传统蓄电池的超级电容里。 太阳能的储存是太阳能产品发展的关键，目前主要采用各种蓄电池，但是电池的充电时间长、寿命短以及造成环境问题，而超级电容器是一种充电快、寿命长、绿色环保型储能元件。 Ⅲ 利用GPRS\GSM进行无线通信 该检测仪通过信号采集模块、微处理器模块和 GPRS 通信模块实现数据的无线通信。远程监测分站硬件结构框图（以温度检测为例）。其中 GPRS 模块通过 RS－485 串口与微处理器模块连接在一起。 监控中心由服务器、打印机等组成。 通过各传感器，把现场需要监测的数据采集下来，微处理器对采集到的数据进行集中存储、 编码和转发，经过先进的无线通信方式——GPRS 分组交换，定时把数据发送到远程 Internet 网络上的监控中心。监控中心对监测数据进行分析、存储，从而实现现场数据实时联网，使得监测人员在任何时间、任何地点都可以了解现场的具体情况。 Ⅳ 优化软件模块设计 本检测仪选用的ARM单片机具有性能稳定、支持在线编译、运行速度快等优点，在其软件设计上采用分时激活方式。对传感器进行保护也是优化软件模块设计的重要内容。基于传感器有不同的工作温度、湿度，该检测仪具有使超过其工作温湿度的传感器停止工作并使温度补偿电路工作的功能，在进行检测判断时以确保传感器正常工作而不致影响测量准确度，避免损坏。 Ⅴ 结构设计新颖本检测仪模型长1.5m,宽1.1m，高2.4m，顶部安装两个对称的空气采集室，分别为空气过滤室和空气检测室。模型的左下角为配电室，为整个模型提供电能。模型正中间为LED显示屏，用于显示检测结果。总体看来，本检测仪模型结构设计新颖合理，视觉效果较好。 作品的应用前景在当今社会，自动化、信息化是做好环境监测的前提和保障，多年来在地方经济迅速发展的同时，各地区不断出现不同程度的水、气、噪声等环境污染事件，严重影响了人们的生活质量，阻碍了当地经济的持续发展。随着国家各种环境保护政策的制定及法规的颁布实施，各级地方政府对辖区内的环境治理日益重视，加大了环境监测及应急监测的投资力度，各地区陆续规划安装了大气环境质量监测地面站。但监测站只能测量本地区的平均空气质量，便携式空气质量检测设备对于多点城市流动环境监测、突发事件处理后的空气质量应急监测、重点污染企业的不定期抽查更方便、快捷。多功能空气质量智能检测仪完全可以实现区域环境保护监测部门对城市环境、工业企业环境监测的实际需要，满足现场空气质量预报的要求。 鉴于以上诸多优势，该多功能空气质量智能检测仪具有较高的社会价值和广阔的应用前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：（1）使人们对身边的环境污染有直观切身的体会，促进节能减排； （2）作为城市文明建设基础设施，提升城市形象； （3）拓展城市环境监测网络，为未来城市规划提供数据参考；另外鉴于传统空气监测系统存在的诸多弊端，我们设计一种小巧的多功能空气质量检测仪，其具有准确度高、稳定性好、节能环保、电路设计创新、可扩展性强、软件设计灵活、传感器模块选取合理、性价比高等特点，满足了环境监测部门的特殊要求，同时也给广大百姓带来切身利益。 基本思路：本检测仪主要由四个模块组成：供电模 块，软件控制模块，信号采集模块，无 线传输模块。 设计思想是由太阳能板为整个系统提供必要的电能，采用单片机（ARM）作为主控制器来分析由众多传感器采集到的信号，将最终结果显示在LED屏上，并通过无线通信将数据发到总监测站。创新点： Ⅰ 低功耗，节能环保； Ⅱ 高效的太阳能发电技术； Ⅲ 利用GPRS\GSM进行无线通信； Ⅳ 优化软件模块设计； Ⅴ 结构设计新颖合理。技术关键：太阳能发电系统，软件设计，数据采集 与无线传输
科学性、先进性
- 与传统空气质量监测仪相比，本产品拟揉合多领域的最新技术，具有很强的科学性与先进性。首先，供电模块采用太阳能供电，并采用先进的MPPT技术，使发电效率达到最大。在电量储存器件方面本系统也做了重大改进摒弃了传统的蓄电池，取而代之的是储能新星——超级电容。在软件设计模块，采用ARM单片机作为主控制器，在能处理各传感器采集到信号的前提下，添加了保护传感器、支持无线通信两项新功能。另外，该监测仪利用无线通信模块可接入GPRS网络，实现实时传送数据和接收短消息两项功能，大大改善了人机界面。注：详细信息请参见附件（多功能空气质量智能监测仪附加资料）
获奖情况及鉴定结果
- 第四届“挑战杯”合锻股份安徽省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
作品所处阶段
- 研发成功，进一步完善之中。
技术转让方式
- 继续合作！
作品可展示的形式
- 模型展示，视屏演示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、技术特点与优势合理采用各领域的最新技术，使仪器的性能达到最大化，具有很强的先进性。与同类产品相比具有小巧、方便、功能强大、智能化、节能环保等优势。 2、适应范围：城市大气环境监测、企业环境监测、工厂厂区无组织排放污染气体监测、应急监测环境评价监测等。 3、市场分析和经济效益预测目前国内部分省市正在建设全省空气质量监测系统，例如，河南省投入10亿元用于建设基于全省的空气质量监测网点。而我们这种便于安装、性价比高、支持智能操作的多功能空气质量监测仪能很好的满足监测部门的要求，如能顺利通过国家质量体系的认证，流入市场后必将有广阔的前景。
同类课题研究水平概述
- 目前国内外对城市空气质量监测系统（AQMS）的研究日益增多，主要集中在软硬件的改进上。例如在AQMS的软件方面，早期的AQMS软件以实时数据采集为主要功能。后来AQMS的软件又增加了实时控制功能，并增强了数据处理功能。现在正在研究的AQMS软件会给用户提供更强大的数据处理功能，特别是数据的统计分析功能会非常强，最新的地理信息系统（GIS）、最新的空气质量信息系统会应用到AQMS的系统软件，形成一个庞大的软件包，以实现显示各空气质量参数的历史的或实时的二维分布或三维分布，显示各参数的变化情况。
