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清华学生小发明 实现室内空气实时检测

行业聚焦点中国仪表网2014年07月03日 14:35人气:5148


 
  在大众将眼光聚焦于室外空气净化的时候,却遗忘了室内空气对于人们的健康更加重要。然而,环境公司对室内空气做一次检测,耗时长,花费大。对此,清华大学的大四学生刘天一和同学开发出了一套“室内空气污染可视化检测系统”,让繁琐的室内空气质量检测变得轻松简便。目前,他们的这项技术已经申请了国家发明专利。
  
  创意
  
  像测户外空气一样测室内空气
  
  2010年,刘天一从黑龙江哈尔滨考入清华大学,就读于精密仪器系测控技术与仪器专业。他是定向生,平时学习任务较重,但这并不妨碍他抽出时间参加一些科研项目。
  
  2012年上半年,正读大二的刘天一加入了一个关于重大设备“故障预测与健康管理系统”的研究项目,“一些精密装备在运输过程中,需要对它储存空间的温度、湿度进行不间断精密监测。”半年实验室“泡”下来,刘天一印象最深的收获是三个空气检测特点:数据可测、设备能耗低、数据可无线传输。
  
  也是在这一年,雾霾不断席卷华北、长三角地区,空气质量成为北京乃至全国民众关注的焦点。在清华校园里的刘天一也感受到了这一变化,他喜欢在傍晚时分去紫荆学生公寓前的操场跑几圈,但灰蒙蒙的天让他嗓子不舒服。刘天一说:“北京已经有空气质量监测系统,我就想,室外空气差,室内空气很有可能也已经污染,能不能做一个检测室内空气质量的系统装置呢?”
  
  他上网检索发现,一些环境检测公司开展了室内空气检测业务,但收费不菲,并且需要预约、耗时较长,检测也只能一个点一个点进行,“我要做一个能够同时反映家里任意一个地方空气质量的系统,不是‘点’,而是‘面’。”刘天一暗下决心。这样一套系统,最关键的指标就是:数据可测、低能耗、可传输。而这,恰恰是他不久前的收获。
  
  研发
  
  历时半年自主设计无线传输设备
  
  决心一下,行动便迅速开始了。2012年的下半年,升入大三的刘天一迫切需要“招兵买马”。他从清华大学鼓励科技创新的“星火班”里找到了两名志同道合的同学:精密仪器专业的李灵和机械专业的蔡栋。又在自己班里找到了两个“同伙”:程文雪和周丹。五人团队正式组建。他们还从学校拿到了5000元的经费支持。
  
  这五人团队完全不符合清华工科专业男多女少的特点——只有刘天一和蔡栋是男生。时不我待,两天的讨论过后,五人分工确定:刘天一负责硬件、电路和检测;蔡栋负责芯片和编程;李灵负责机械结构设计;周丹负责关系到无线电传输的射频技术;程文雪则负责计算机软件和数据库。
  
  每个人的特长都得到了最大程度的发挥。刘天一说,回顾整个研究,困难最大的一关便是攻克无线传输技术。他们知道市场上有现成的无线电传输模块在销售,但经过再三考虑,还是决定自主研发,“一是因为市场上卖的无线模块体积太大,不符合我们轻量化的设备定位;二是它们的定价过高;还有一个最重要的原因是,我们想做出自己的技术。”刘天一说。
  
  重新开发,谈何容易?他们通宵设计、焊接后的调制电路,安上发射天线后却死活传不出一点信号,只能重新设计。这一个来回就是一个星期。第二次尝试,依然不行,然后再来。到了第三次,无线传输终于“有了一张床板的距离”,这无疑是一个令人振奋的消息,他们又推倒再试了一次。第四次,信号传输的距离稳稳地保持在了30米以上。他们成功了。这时,距离他们启动这个项目已经过去了半年。
  
  接下来的研发就是水到渠成了,计算机软件很快成型,传感器的采购、安装也非常顺利。到2013年初,整套系统终于研发成功。
  
  效果
  
  50平方米房间3秒显示污染信息
  
  这套室内空气检测系统的简化版,粗看它们就是一个个的小盒子,每个盒子如一副扑克牌大小,只不过盒子上都立着一根约10厘米长的天线。刘天一说,这套系统中,有4个盒子没有安装传感器,它们承担的是“定位基点”的作用,装有空气质量传感器的盒子从“定位基点”处接收信号,就可以通过三维立体确定自己的位置。
  
  刘天一熟练地启动一个传感器,同时打开笔记本电脑上的一个软件。大约3分钟过后,软件显示出一张类似热成像效果的地图,很快,地图的一处颜色开始由蓝变黄,最后变成橙红色,“说明这个地方空气污染物浓度高,颜色越红,浓度越大。”刘天一说,具体的浓度数据可以通过软件还原获得。
  
  刘天一说,他们曾经找了一间大约50平方米的房间进行测试,启动传感器之后,将传感器盒子置于一片被刻意洒上了少许甲醛的地方。结果三秒钟后,计算机上的软件就接收到了这里甲醛浓度过高的数据信息,非常灵敏。
  
  遗憾
  
  未能将PM2.5纳入检测范围
  
  刘天一告诉记者,这套系统的硬件配置包括4个定位基点,一个网关,以及任意个数的传感器检测终端,“最多可以设置122个终端,覆盖一套房子的任意角落没问题,随时检测,随时反馈,这就是它和普通室内空气检测手段的最大不同。”
  
  他说,经过测试,这套系统的气体检测精度可达百万分之六,位置检测精度可达0.5米以内,完全符合家庭环境的检测需要。耗电方面,这套系统也非常节能,充电一次可工作超过12个小时。成本方面,刘天一说,如果能够实现量产,4个定位基点、一个网关、3个检测终端,成本也就500元左右,“一般家庭完全可以承受。”他说,开启这套系统,一旦发现家里某个房间空气污染严重,就可以开窗通风或者开启空气净化器,很有针对性。
  
  据悉,目前这套系统的专利申请已经处于实质审查阶段。刘天一表示,他们的这套系统能够检测甲醛、氨气等多种室内空气污染物。但对于备受公众关注的PM2.5、PM10等颗粒物,这套系统并没有纳入检测范围,“合适的传感器不好找。”他坦言。此外刘天一还说,这套系统在使用人性化方面也还有需要进一步完善的地方,比如开发匹配的手机客户端软件等,“这不能不说是一种遗憾吧。”
  
  今年下半年,刘天一就将升入研究生阶段,他选择了硕博连读,五年的艰苦努力,专业是“惯性技术”,“和我之前做的这套系统是完全不同的研究方向了。”他说,如果有时间,一定会把这套室内空气污染可视化检测系统尽力完善。
(本文来源:北京晚报转载请注明出处
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