摘 要：在健身需求不斷高漲的今天，人們對(duì)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的要求也越來越高。本研究使用傳感器技術(shù)和程序控制技術(shù)，研發(fā)封閉式運(yùn)動(dòng)場館空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控系統(tǒng)，從而提高封閉式運(yùn)動(dòng)場館的空氣質(zhì)量，為人們提供良好的運(yùn)動(dòng)健身環(huán)境。

關(guān)鍵詞：封閉式；運(yùn)動(dòng)場館；空氣質(zhì)量；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP311.13

隨著人民生活水平的不斷提高，運(yùn)動(dòng)熱情的加大，人們對(duì)于綠色健康運(yùn)動(dòng)的意識(shí)也在逐步提升，與此同時(shí)人們對(duì)運(yùn)動(dòng)場館空氣質(zhì)量的要求也越來越高。長時(shí)間的室內(nèi)運(yùn)動(dòng)，人體產(chǎn)生大量的二氧化碳和其他分泌物，這些物質(zhì)隨著場館內(nèi)運(yùn)動(dòng)人數(shù)的增加和運(yùn)動(dòng)時(shí)間的延續(xù)，逐步增多并降低場館內(nèi)的空氣質(zhì)量，影響著運(yùn)動(dòng)人群的健康。室內(nèi)環(huán)境的空氣質(zhì)量對(duì)人體機(jī)能產(chǎn)生一定的影響，尤其是長時(shí)間在封閉的運(yùn)動(dòng)場館內(nèi)進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生更大的影響，因此，急需加強(qiáng)對(duì)封閉式運(yùn)動(dòng)場館空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和管理，以提高人們的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。

如何保障封閉式運(yùn)動(dòng)場館的空氣質(zhì)量是研究人員普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題。為了使健身鍛煉的人們能夠達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)效果，本研究設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種能夠?qū)ρ鯕?、二氧化碳、溫度、濕度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，并能夠結(jié)合室內(nèi)換氣系統(tǒng)對(duì)場館內(nèi)空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)，改善空氣質(zhì)量，為人們擁有一個(gè)舒適健康的運(yùn)動(dòng)環(huán)境提供保障。

1 空氣質(zhì)量檢測(cè)與改善方法

室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)的方法主要分為三種：化學(xué)分析法、氣體耗氧量法和傳感器檢測(cè)法?；瘜W(xué)分析法使用一定量的空氣樣本，通過一系列的化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得到取樣空氣中各項(xiàng)物質(zhì)的濃度。氣體耗氧量法采用了有機(jī)物被氧化的性質(zhì)，對(duì)室內(nèi)被氧化的氣體進(jìn)行耗氧量測(cè)試，然后通過得到的數(shù)據(jù)結(jié)果來表征室內(nèi)有害物質(zhì)的含量。傳感器檢測(cè)法主要是選擇現(xiàn)成的對(duì)應(yīng)類型傳感器，通過電路接口讀取傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，在處理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以后轉(zhuǎn)換為室內(nèi)空氣中有害物質(zhì)的濃度，按照測(cè)量原理大致有電容型、電感型、電阻型和電化學(xué)型四種類型傳感器?；瘜W(xué)分析法和氣體耗氧量法雖然具有較強(qiáng)的可靠性，能對(duì)多種有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，但是缺乏檢測(cè)的時(shí)效性，檢測(cè)周期較長，而傳感器檢測(cè)法具有速度快、集成度高、簡單易用等特點(diǎn)。所以，本系統(tǒng)采用傳感器檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。

改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的方法有很多，例如通風(fēng)換氣、使用空調(diào)、選用空氣處理設(shè)備等等。瑞典知名教授Sundell曾經(jīng)就對(duì)一百多棟大廈的換氣條件進(jìn)行過研究，他發(fā)現(xiàn)室內(nèi)通風(fēng)量大的建筑發(fā)生建筑綜合病的概率就小。由于運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的特殊需求，封閉式運(yùn)動(dòng)場館內(nèi)必須保持較小的空氣流動(dòng)，減少氣流對(duì)運(yùn)動(dòng)的干擾，因此，本系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到空氣質(zhì)量降低到臨界值后，將發(fā)出報(bào)警信息，并控制換氣扇開啟或者室內(nèi)空調(diào)開啟，以調(diào)節(jié)場館內(nèi)空氣質(zhì)量。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由采集模塊、接收處理模塊和分析模塊三大部分組成，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。采集模塊主要完成氧氣和二氧化碳濃度、溫度和濕度的檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送至接收模塊。接收處理模塊是系統(tǒng)的主要模塊，主要用于接收采集模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行暫存、報(bào)警等操作，然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送至分析模塊，當(dāng)發(fā)出報(bào)警信息的同時(shí)，開啟排風(fēng)系統(tǒng)或空調(diào)系統(tǒng)。分析模塊主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析任務(wù)，并控制顯示屏顯示當(dāng)前空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集工作由分布在場館四周的五個(gè)采集點(diǎn)構(gòu)成，如圖2所示是數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位分布圖，采集點(diǎn)將數(shù)據(jù)匯總到接收端后進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖2 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位分布圖

數(shù)據(jù)采集包括氧氣濃度檢測(cè)、二氧化碳濃度檢測(cè)、溫度和濕度檢測(cè)四部分，分別采用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)。氧氣濃度傳感器是一種測(cè)量氧含量的電化學(xué)裝置，由氧離子導(dǎo)體、參考電極和待測(cè)試樣本構(gòu)成，通過測(cè)量此裝置的電動(dòng)勢(shì)，即可確定待測(cè)試樣本的氧含量或氧分壓。二氧化碳濃度傳感器采用紅外二氧化碳傳感器，由于二氧化碳能夠吸收特定波長的紅外線，以減少穿過測(cè)量室的紅外能量，能量減小的程度與二氧化碳的含量有對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而得到樣品氣體中二氧化碳的濃度。溫度、濕度傳感器能夠?qū)⒖諝庵械臏囟攘亢蜐穸攘恳黄疝D(zhuǎn)換成電信號(hào)，其測(cè)量的值一般是溫度和濕度的相對(duì)值。

3.2 無線數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)接收端采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并將數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)芯片內(nèi)。無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵器件是無線通信芯片，本系統(tǒng)選用PTR2000無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，該模塊采用了挪威Nordic公司推出的nRF401無線通信芯片，具有體積小、功耗低、速率高的特點(diǎn)，使用433MHz IGM頻段，是真正的單片UHF無線收發(fā)一體芯片。在數(shù)據(jù)編碼方面，nRF401采用串口傳輸，無須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，應(yīng)用及編程非常簡單，傳送效率較高。

3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)分析模塊采用.Net Framework技術(shù)開發(fā)Windows平臺(tái)下計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，利用串口數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)獲得下位機(jī)上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使用Access數(shù)據(jù)庫存數(shù)數(shù)據(jù)，該模塊是系統(tǒng)的主要程序。管理員使用該模塊可以查看歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、對(duì)大屏幕顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)設(shè)定等操作。其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)分析功能流程圖

4 結(jié)束語

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中著重考慮了空氣質(zhì)量測(cè)量精度和自動(dòng)化控制需求，通過合理的硬件選擇和軟件框架設(shè)計(jì)使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)擬合和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確處理，測(cè)量的空氣質(zhì)量以百分比的形式直觀顯示，能夠控制換氣扇和空調(diào)自動(dòng)開啟與關(guān)閉，能夠?qū)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)處理，安裝調(diào)試方便快捷，對(duì)健身人員不會(huì)產(chǎn)生任何干擾，滿足各種封閉式運(yùn)動(dòng)場館以及健身場所的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與調(diào)控要求。

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作者簡介：彭偉桃（1994-），男，本科在讀，教育技術(shù)學(xué)專業(yè)。

作者單位：天津體育學(xué)院，天津 300381

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201310071239）。