便携式野外特种训练环境监测系统设计

梅竹松，严荣国，魏高峰，任东彦，闫士举

（1.上海理工大学健康科学与工程学院，上海 200093；2.海军军医大学 海军医学系，上海 200433）

为适应现代野外特种作业及日常训练的需要，很多国家在便携式环境监测保障装备研制方面投入了很多精力。我国在特种作业信息化的过程中采用了许多高科技手段，如电子信息、计算机技术、遥测等技术，使野外特种作业环境监测工作[1]进一步的客观定量化和自动化。

野外特种作业训练的特点是训练强度大、训练频率高、训练场地多变。环境监测保障工作[1]要求必须在野外特种作业训练准备过程中及时、准确地将环境要素数据提供给作业及训练人员，为训练安排以及野外特种作业训练效率提供数据依据和技术参数。现有的环境监测设备[2]在便携程度、可监测环境参数以及人机交互软件方面都存在欠缺。并且随着野外特种作业训练对环境指标的要求逐渐提高，研制一款高性能的便携式环境检测系统显得尤为迫切。

针对以上问题文中设计了一款基于多功能传感器的便携式环境监测系统[3]，该监测系统基于便携、工作时间长、多环境参数采集以及软件多功能的设计理念，实现了实时监测各个环境数据、数据可视化、超限报警、对比历史值储存数据等功能，将环境的监测工作变得更加简单化，极大程度上提高了监测人员的工作效率，并且更为贴合便携式的设计理念，可用于特种作业野外训练，对训练场地进行快速、准确、系统的监测，通过对温度、湿度、风速、风向、噪声的监测，保障了野外特种作业及训练的质量，对PM2.5、PM10、PM100 的实时快速检测也保证了野外特种作业人员的健康安全。

1 环境监测系统的硬件设计

环境监测系统硬件部分[4]的组成主要包括环境传感器、数据采集仪、工控一体机。环境监测系统工作流程如图1 所示，传感器检测所在环境的各环境指标有温度、湿度、风速等，数据采集仪采集各个传感器检测的数据，通过串口通信将数据传输到工控一体机，工控一体机上的软件对数据进行处理后以直观的线形图显示，并对数据进行保存等处理。

图1 环境监测系统工作流程

1.1 环境监测传感器

环境监测传感器[5]是环境监测质量的关键所在，系统从单个传感器为出发点进行研究分析，整合多功能传感器，从器材、体积、价格等方面进行对比，最终设计了如图2 所示的便携式环境检测系统，该仪器总重量不大于5 kg，在安装方面操作简单，使用时将三角支撑架打开，并将多功能环境传感器固定于三脚架上方即可使用，符合便携式的设计理念，该仪器可同时检测环境空气中的温度、湿度、风速、PM2.5、PM10、PM100、CO2、风向以及噪声。

图2 便携式环境监测系统

温度传感器[6]是能感受温度并将温度转换成可用输出信号的传感器。该系统采用NTC 温度传感器[7]，随着温度的升高电阻会呈指数减小，具有负温度系数，温度传感器原理图如图3 所示，通过ADC 测出当前电压值，然后计算得到NTC 电阻值。

图3 温度传感器原理图

温度计算公式如下：

式中，数字5 为输入电压5 V，VADC为电压值，RNTC为NTC 温度传感器的阻值，R5为已知电阻，T和T0指的是K 度即开尔文温度，K 度=273.15（绝对温度）+摄氏度。Rt、R分别为温度T、T0时的电阻值，B为材料常数，该参数一般在产品规格表中都会给出。

该系统测量湿度时采用电容式湿度传感器[8]，当环境湿度发生变化时，湿敏电阻的介电常数发生改变，使其电容量也发生变化，环境湿度与电容变化量成正比[9]，故想要得到湿度值，主要是测量其电容值。等效电路为一个电容与电阻的并联，如图4所示。

图4 湿度传感器等效电路

通过推导计算，便可得到电容值，计算公式如下：

式 中，XC为容抗，Vin为输入电压，Vout为输出电压，Rf、R为固定电阻，ω为角频率，C为电容值。

系统采用机械式风速传感器[10]，空气流动产生的风力会推动风速传感器转动，中轴带动传感器内部感应元件产生脉冲信号，在风速测量范围内，风速与脉冲频率成一定的线性关系[20]。机械式风速传感器如图5(a)所示。

脉冲数和风速值计算公式如下：

式中，d为脉冲间宽度，K为每秒脉冲数，B为一个脉冲对应的风速，W为风速值。

该系统采用了电阻式风向传感器的结构，将产生电阻最大和最小值时风向变化分别标成360°和0°，当风向标转动时，阻值也随其发生变化，从而产生电压变化，通过计算便可得到风向。风向传感器如图5(b)所示。

图5 风速、风向传感器

随着人民生活质量的提高，对空气质量的关注度日益增长，PM2.5 等颗粒物浓度已成为人们衡量空气质量的标杆。系统采用红外颗粒物传感器[12]，空气通过光线时，其中的颗粒物会对光产生散射，从而造成光强的衰减。其相对衰减率与颗粒物的浓度呈现一定比例[13]。PM 传感器原理图如图6 所示。

如图6 所示，光电探测器探测到颗粒物反射的光线，并根据光强度输出信号，从而判断悬浮颗粒的浓度，对于不同直径的颗粒物，通过输出不同的信号进行区分。

图6 PM传感器原理图

系统采用红外吸收性CO2气体传感器[14]，其原理基于不同气体因分子化学结构不同，对红外光的吸收程度不同且存在差异，同一物质在不同浓度时，对同一波长的红外光的吸收强度也是不同的，吸收强度和浓度成正比关系。

根据朗伯-比尔定律[15]，可以推导得到以下公式：

式中，am为摩尔分子吸收系数，c为待测气体浓度，L为光和气体的作用长度，I0为输入光发光强度，I为输出光发光强度。通过检测相关数据可以得到CO2浓度值。

噪声传感器[16]基于电容式驻极体话筒中薄膜收到声波刺激而产生的振动，导致电容产生变化，产生微小的对应电压变化，实现光信号到电信号的变换。

驻极体薄膜上分布有自由电荷[17]，声波会引起驻极体薄膜振动，从而产生位移，电容两极板之间的距离则发生改变，引起电容值发生变化，驻极体上的电荷数Q始终保持恒定，公式如下：

根据式（5）可知，当C变化时必然会引起电容两端电压U发生变化，从而输出电信号，实现声音信号到电信号的变换。

1.2 数据采集仪

数据采集仪由MCU、串口模块组成。多功能环境传感器将信号传输给MCU，MCU 对数据进行计算处理，得到各个环境数值，通过串口模块将数据传输给上位机，除此之外数据采集仪也可对每个通道传输数据进行修改。

该数据采集仪可持续待机24 h 以上，充电只需2 h，符合便携式环境监测的工作需求。在上位机传输端支持RS-232、RS-485 通信总线，波特率最高可达19 200 b∕s，对上位机的选择提供了极大的便利。

1.3 工控一体机

为了使环境监测软件系统功能多样化，并且符合便携式环境监测系统设备的设计理念，系统采用工控一体机，其基本满足系统工作需求，功耗低、可持续工作时间较长、具备基本通信接口、可单点或多点触摸、防尘防水、耐高低温、价格相对较低。经测试，系统工作稳定、触摸屏操作流畅、串口读写正常，具有一定的可靠性。

2 软件设计

环境监测系统软件部分采用QT 进行设计，主要分为3 个界面,能实时显示数据及绘图（含各功能按钮），显示历史数据，设置限值参数。该系统包含的数据有温度、湿度、风速、PM2.5、PM10、PM100、CO2、风向以及噪声。整体程序设计框架如图7 所示。

图7 整体程序设计框图

2.1 数据库

为更直观的收集和调取数据，系统采用SQL 作为数据库，对SQL 的操作可分为3 步：访问、读取和写入。

选用SQL 作为数据库，通过创建唯一性索引可以保证数据库中每一行数据的唯一性，通过创建索引可以大大加快数据的检索速度，通过使用索引可以在查询的过程中提高系统的性能，也可以显著减少查询中分组和排序的时间。

因此，选用SQL 作为数据库极大地提高了软件系统的工作效率。

2.2 串口通信

在Qt 中使用了QSerialPort 模块提供的两个类：QSerialPort类和QSerialPortInfo 类，QSerialPort类提供了对串口的操作，QSerialPortInfo 类提供了对串口信息的获取。Qt 采用信号槽的方式，并运用定时器，使系统软件更加具有可靠性。

为方便各个环境数据的读取，将环境数据都设置为四位十六进制数字读入串口，各个数据单位以及分辨率环境数据如表1 所示。

表1 环境数据

该系统设计中采用RS232 标准接口进行串口通信，其稳定性适用于便携式环境监测系统。

2.3 主界面设计

主界面相比其他环境监测系统功能更加完善，人机交互性也大大提高，其主要分为五大功能：环境数据的绘图、环境数据数值的可视化显示、各数据超标后的绘图、拖动线功能以及切换到次界面的按钮功能。

用QPainter 在类对象的paintEvent()函数中绘制主界面的所有控件。其中，将读入数据以折线图、进度条和实时数值的方式显示，超出设定限值部分用红线标记，并添加拖动线功能，拖动线可用手触摸屏幕拖动，拖动至指定位置则在进度条中显示指定数据。拖动线功能基于Qt 中的鼠标触发事件进行编写。最终通过Qt编程实现了以下功能：

1）打开：打开界面则系统会自动开始进行一分钟循环的数据读取以及绘图功能，横坐标为时间（0～24 点），每一格由60 点（60 min）组成，其纵坐标为各个指标对应的数值，单位各不相同。

2）进度条显示数值：串口有数据传输则进行显示，没有数据传输时可跟随拖动蓝线显示对应点数值。

3）限值（红线）：超出限值部分会用红线进行标记，并进行语音报警两次，如“PM2.5 超标”，其限值会给定初始值。

4）显示历史：点击按钮则可以进入显示历史界面，主界面不会关闭。

5）设置：点击设置进入设置界面，可以进行限值大小的设定，主界面不会关闭，红线会随设定限值大小进行变化。

6）关闭：关闭程序，存储程序运行阶段所采集到的环境数据。

2.4 显示历史界面设计

显示历史界面基于SQL 数据库进行设计，查询数据的效率以及数据准确性非常可观。开始运行时，会进行对数据库的访问以及读取操作，并通过绘图函数，在开始时显示今天的数据以及昨天的数据对比，若数据库中没有今天和昨天的数据将不会进行绘图。

选择指定时间段进行对比，则需要将对比框内容定位到数据库对应位置，并将所需时间段的数据存储到数组，供绘图函数调用。最终通过Qt 编程实现了以下功能：

1）打开：在该界面打开时会进行今天环境数据与昨天环境数据对比，若没有数据则不进行对比。

2）对比：选定需要的两个时间段，然后点击对比按钮，则出现对比图。

3）返回：返回主界面。

2.5 设置界面设计

设置界面主要实现各个指标的限值设定，一定程度上方便了监测人员对监测需求的把控。为了减轻监测人员的工作难度，添加了对数值进行加1 以及减1 的功能，同时也可以直接在文本框中进行数值修改、参数传递，当测定环境数据超出限值时，会触发语音报警功能，为了使报警功能更为直观，引入了QSound 类，运用代码播放音频，如“PM2.5 超标”。实现了以下功能：

1）文本框：可直接进行数值修改。

2）上∕下按钮：数值加1 或减1。

3）确认：确认修改数值，并返回主界面，主界面限值随之变化。

最终人机交互界面图如图8 所示，从上到下依次是：主界面图、历史界面图、设置界面图。

图8 界面图

3 结果

将程序打包至一体机并完成设定，至此设计的便携式环境监测系统搭建完成，并开机运行，进行实地测量，连续测量时间为一天，其部分实验结果如表2 所示。

通过表2 的实验结果可以得知，便携式环境监测系统可以达到分钟级的监测频率，并且监测数据稳定，同时也验证了该系统的实时性和稳定性，但单用一台环境监测系统的数据无法验证该系统的可靠性，因此，采用现有的另一台大型标准化的环境监测系统与该监测系统对同一环境进行实时监测，引入了绝对误差参数进行判定，其计算公式如下所示：

表2 监测环境数据结果

式中，x为该环境监测系统测量值，T为标准大型化的环境监测系统测量值，Ea为绝对误差，其实验结果如图9 所示。

图9 中纵轴为该环境监测系统与另一台标准化的大型环境监测系统测量值的误差，横轴从左到右依次为，温度、湿度、风速、PM2.5、PM10、CO2、风向、噪声、PM100。由图中可以看到该系统的温度、湿度以及风速绝对误差均小于0.5，CO2、风向以及噪声绝对误差均小于9，PM 测量值的绝对误差不超过5，验证了该系统的可靠性，最后引入相对误差可靠性进行衡量，计算公式如下：

图9 绝对误差指数

式中，Er为相对误差，经计算，所有环境参数的相对误差均不超过1.13%,说明系统具有较高的可靠性。

4 结论

便携式环境监测系统对复杂环境实地监测、记录环境数据尤为重要，野外特种作业及其在日常训练中对便携式环境监测系统的需求以及依赖性越来越高，对其可靠性、便携性的要求也颇为严格，针对这些需求，文中进行了基于多功能传感器的环境监测系统的设计。通过对各个传感器的原理以及算法进行研究分析，下位机的电路设计以及上位机的人机交互界面设计，达到了系统的实时性、稳定性以及可靠性要求，并且在上位机中实现的数据可视化、超限警示、历史查询与对比、数据储存、设置等功能在很大程度上方便了环境监测人员的监测工作。该系统设计具有一定的实现性和创新性。

在最后的实验测试环节，也得到了稳定、实时的环境数据，并经过计算可知，其相对误差均不大于1.13%，验证了该系统的可靠性以及可行性。该系统的设计方法对便携式环境监测系统设计的进一步完善和广泛应用有较好的指导和参考意义。