杜聰聰 韓鵬飛

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境的要求日漸提高，各種裝飾材料被應(yīng)用于房屋裝修當(dāng)中，這些材料當(dāng)中蘊(yùn)含的有毒物質(zhì)（如甲醛、苯等）會(huì)在日常使用中慢慢釋放出來(lái)，對(duì)人體產(chǎn)生危害[1]?，F(xiàn)在市面主要的空氣監(jiān)測(cè)裝置測(cè)試對(duì)象單一，大多只檢測(cè)某一氣體;輸出數(shù)據(jù)單一，數(shù)據(jù)的可視化不強(qiáng)。針對(duì)室內(nèi)空氣污染的現(xiàn)狀，現(xiàn)提出一種搭載多種氣體污染的傳感器的裝置，檢測(cè)CO，NO，甲醛等污染氣體的濃度以及光敏，通風(fēng)率等室內(nèi)情況，同時(shí)通過(guò)傳動(dòng)裝置檢測(cè)不同高度污染濃度，實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)、定時(shí)和自動(dòng)化檢測(cè)的功能。采用灰度判據(jù)（DGI）與層次分析法（AHP）聯(lián)合算法，在調(diào)查室內(nèi)基本屬性、污染物濃度后，基于人體個(gè)體差異性，以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為參考量綱，給出一個(gè)衡量指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)空氣污染 ?DGI ?AHP VB程序設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH89 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（c）-0140-03

室內(nèi)空氣檢測(cè)是針對(duì)室內(nèi)裝飾裝修、家具添置引起的環(huán)境污染超標(biāo)情況進(jìn)行的分析、化驗(yàn)的過(guò)程且出具國(guó)家權(quán)威認(rèn)可（CMA）具有法律效力的檢測(cè)報(bào)告，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果值我們可以判斷室內(nèi)各項(xiàng)污染物質(zhì)的濃度，并進(jìn)行有針對(duì)的防控措施。

中國(guó)城市居民占不到總?cè)丝诘囊话?，但已?.7億以上居民呼吸的空氣不達(dá)標(biāo)。一些行動(dòng)不便的人、老人、嬰兒等則可能有高達(dá)95%的時(shí)間在室內(nèi)生活。凡是居住在室內(nèi)空氣已被污染的人，他們的身體時(shí)刻都受著傷害。一般來(lái)說(shuō)，慢性中毒很難被人們發(fā)現(xiàn)，更容易被人們所忽視，當(dāng)危害、中毒癥狀轉(zhuǎn)成病變時(shí)人體才有一定反應(yīng)。

由于室內(nèi)空氣污染物的種類(lèi)復(fù)雜，濃度有時(shí)又比較低，因此對(duì)人體健康的影響是長(zhǎng)期和慢性出現(xiàn)的。早期可出現(xiàn)眼干、嗜睡、記憶力減退等;長(zhǎng)期暴露可出現(xiàn)嗓子疼痛、急性或慢性咽炎等，長(zhǎng)久暴露在被污染的環(huán)境中將導(dǎo)致肺部和多器官疾病的產(chǎn)生。

一般家庭業(yè)主找當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)檢測(cè)治理公司就可以，但是檢測(cè)儀器，設(shè)備需要跟公家部門(mén)統(tǒng)一，這樣檢測(cè)數(shù)據(jù)才有保障，出具CMA計(jì)量認(rèn)證的報(bào)告是一般的公共場(chǎng)所可以用到。

1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 電子鼻傳感器云臺(tái)結(jié)構(gòu)包括四幅葉支架、舵機(jī)固定盤(pán)、旋轉(zhuǎn)托盤(pán)、芯片臺(tái)架

四幅葉支架（如圖1指引1）安放MQ傳感器陣列、布置線(xiàn)路及其其他支撐作用;舵機(jī)固定盤(pán)（如圖1指引2）固定四幅葉支架和舵機(jī)盤(pán)的安裝;旋轉(zhuǎn)托盤(pán)（如圖1指引3）增大舵機(jī)輸出軸的受力面積;芯片臺(tái)架（如圖1指引4）芯片的支撐安放。

1.2 機(jī)架結(jié)構(gòu)包括門(mén)型支撐框架、T型傳動(dòng)平臺(tái)、直線(xiàn)組合絲杠滑臺(tái)、主傳動(dòng)支撐后座

門(mén)型支撐框架（如圖2指引6）主要由異型鋁型材20 mm×20 mm搭建而成，主要功能：為動(dòng)力輸出裝置和傳感器模塊提供支撐作用形狀尺寸如圖所示;T型傳動(dòng)平臺(tái)（如圖2指引9）主要安放舵機(jī)的位置，在絲杠的推動(dòng)下，沿鋁型材的上表面進(jìn)行滑動(dòng);直線(xiàn)組合絲杠滑臺(tái)（如圖2指引8）直徑5mm絲杠，聯(lián)軸器和直線(xiàn)導(dǎo)軌構(gòu)成。支撐T型傳動(dòng)平臺(tái)，限制T型傳動(dòng)平臺(tái)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng);主傳動(dòng)支撐后座（如圖2指引12）主要是提供直流電機(jī)和電源模塊的支撐。通過(guò)正方形與異型鋁型材固定連接。

1.3 傾角調(diào)節(jié)器主要是調(diào)節(jié)門(mén)型支撐框架與水平面的角度

傾角桿，主要作為機(jī)架的支撐著力點(diǎn)，由鈑金件加工。

制動(dòng)倒桿盤(pán)。當(dāng)傾角桿角度確定后，由倒桿軸套插入銷(xiāo)軸，固定鎖死。

2 電子系統(tǒng)

2.1 電子鼻工作流程原理（見(jiàn)圖3）

（1）預(yù)備過(guò)程。確定檢測(cè)區(qū)域和高度后，調(diào)節(jié)傾角，通過(guò)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，將云臺(tái)運(yùn)送至預(yù)期位置。

（2）云臺(tái)檢測(cè)。開(kāi)啟傳感器矩陣，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，采集多角度的數(shù)據(jù)。多個(gè)位置高度重復(fù)檢測(cè)。

（3）微機(jī)信息處理 將采集的數(shù)據(jù)發(fā)回主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)軟件調(diào)用算法，分析出當(dāng)前室內(nèi)的空氣狀況，給出AQI隱患度評(píng)分，給出居住建議。

2.2 STMF15單片機(jī)簡(jiǎn)介

STC15F2K60S2系是高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)[3]。該裝置主要使用的是STC15F2K60S2的8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換接口，作為MQ系列傳感器的模擬量的采集輸出微處理器。按照10位A/D轉(zhuǎn)換，按照一下公式來(lái)計(jì)算10-bit A/D Conversion Result：（ADC_RES[7：0]，ADC_RESL[1：0]）=

式子中，Vin為模擬量輸入通道輸入電壓，Vcc為單片機(jī)實(shí)際工作電壓，即以單片機(jī)工作電壓作為模擬參考電壓。

2.3 MQ傳感器介紹

MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-131臭氧傳感器和MQ-137氨氣傳感器均為MQ系列傳感器。該小節(jié)將介紹3種傳感器的性能。

傳感器工作原理及其引腳說(shuō)明。

MQ元件由SnO2敏感層、微型Al2O3陶瓷管、加熱器和測(cè)量電極組成，采用金屬或樹(shù)脂封裝。探測(cè)范圍：10～1000 ppm。選擇性好，在信號(hào)采集的同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并具有靈敏度高，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

求出的氣體濃度為ppm，換算成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)污染物濃度的單位，每標(biāo)立方米的毫克數(shù)表示的濃度值（）。

式中：M為污染物的分子量。RS為氣敏元件的電阻，為MQ氣體傳感器的靈敏度。

3 API室內(nèi)空氣檢測(cè)算法

該算法以《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T18883-2002國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，主要選取甲醛、CO、NO和O3作為室內(nèi)空氣的主要的污染，經(jīng)過(guò)傳感器測(cè)出當(dāng)前的空氣組分濃度后，由軟件抓取數(shù)據(jù)錄入，經(jīng)過(guò)算法運(yùn)算，分別給出時(shí)空系數(shù)、流動(dòng)系數(shù)、和本體系數(shù)的權(quán)重分布，給出一個(gè)綜合性的指標(biāo)AQI（air quality index）為輸出指標(biāo)，由軟件識(shí)別后給出用戶(hù)居住建議。

3.1 層次分析法AHP

室內(nèi)空氣品質(zhì)的綜合評(píng)判是一個(gè)難以線(xiàn)性化的問(wèn)題，復(fù)雜性在于選取評(píng)判因素的數(shù)量多少還有評(píng)判因素的量化分析上。

AHP的思想是首先通過(guò)建立清晰的層次結(jié)構(gòu)來(lái)分解復(fù)雜問(wèn)題，其次引入測(cè)度理論，通過(guò)兩兩比較，用相對(duì)標(biāo)度將人的判斷標(biāo)量化，并逐層建立判斷矩陣[4]。層次分析法運(yùn)用前需要構(gòu)造層次模型：決策層，中間層（指標(biāo)層），底層（選擇層）;形成等級(jí)層次;然后構(gòu)造兩兩對(duì)比矩陣，進(jìn)行一致性檢驗(yàn);最后得到權(quán)重向量。

空氣環(huán)境對(duì)人體健康的主觀感覺(jué)，設(shè)定有個(gè)等級(jí)的劃分，在這里我們就采取層次分析法來(lái)將感覺(jué)用定量的數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)。根據(jù)專(zhuān)家模式進(jìn)行判定后，我們可以得出各層級(jí)對(duì)于上一級(jí)的權(quán)重比。

對(duì)比矩陣的確定采用一定合理性的專(zhuān)家評(píng)分，根據(jù)0～9的序列，得出外圍環(huán)境布局因素和人體抵抗因素對(duì)應(yīng)的比較矩陣，輸出權(quán)重向量（如表1）。關(guān)于如何確定aji的值，引用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度。列出了1～9標(biāo)度的含義。1表示兩個(gè)因素相比，具有相同的重要性;3表示兩個(gè)因素相比，前者比后者稍重要;9表示兩個(gè)因素相比，前者比后者極端重要。以此類(lèi)推。若因素i與因素j的重要性之比為a_ij，那么因素j與因素i重要性之比為a_ij=1/a_ji。

規(guī)定第一、三級(jí)的各指標(biāo)滿(mǎn)分分值為10級(jí)。為消除之間的單位不同的差別，根據(jù)指標(biāo)在其領(lǐng)域的影響地位，給出其對(duì)應(yīng)的范圍評(píng)級(jí)。

二級(jí)層評(píng)分 ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中j，k為底層指標(biāo)評(píng)分等級(jí)。

通過(guò)調(diào)用Matlab程序，輸入一、二級(jí)層評(píng)分比較矩陣，得出各層級(jí)關(guān)系權(quán)重如表2所示。

3.2 灰度預(yù)測(cè)法原理簡(jiǎn)介

由于不同化學(xué)成分的有害氣體對(duì)于人體的危害是不同的，同時(shí)危害性還受地域性的影響。然而，其中的關(guān)系難以量化表示。因此，采用灰度算法挖掘不同化學(xué)成分的有害氣體的危害權(quán)重。

灰色關(guān)聯(lián)分析（Degree of Gray Incidence簡(jiǎn)稱(chēng)DGI），是灰色系統(tǒng)理論的一個(gè)分支，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)受多種因素影響的事物和現(xiàn)象從整體觀念出發(fā)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)是一個(gè)被廣為接受的方法。

灰色關(guān)聯(lián)分析法的基本思想是根據(jù)各比較數(shù)列集構(gòu)成的曲線(xiàn)族與參考數(shù)列構(gòu)成的曲線(xiàn)之間的相似程度來(lái)確定比較數(shù)列集與參考數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度，比較數(shù)列越相似，其關(guān)聯(lián)度越大。

利用灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的步驟如下。

（1）根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定評(píng)價(jià)母參考體系，收集優(yōu)質(zhì)室內(nèi)主因子數(shù)據(jù)，確定原始評(píng)價(jià)矩陣及參考數(shù)列。由SPSS因子分析，在這里選取沈陽(yáng)市的n個(gè)指標(biāo)作為參考數(shù)列。

（2）假設(shè)由m個(gè)對(duì)象、n個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的評(píng)價(jià)問(wèn)題，表示第i個(gè)對(duì)象第j個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)值，原始評(píng)價(jià)矩陣為：

，

根據(jù)評(píng)價(jià)目的及指標(biāo)情況，設(shè)定參考數(shù)列為：

（3）利用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)公式計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)Yj與最優(yōu)向量G的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

（2）

其中，分別為兩級(jí)極小差和兩級(jí)極大差，為分辨系數(shù)，0<<1，一般取=0.5。

對(duì)于不同污染物對(duì)于人體健康危害的程度大小衡量，通過(guò)當(dāng)?shù)丨h(huán)保局?jǐn)?shù)據(jù)、《統(tǒng)計(jì)年鑒》。主要選取沈陽(yáng)城市2001—2014年度的城市人口、人均GDP、死亡人數(shù)、醫(yī)療費(fèi)用支出、甲醛、NO、CO、O3污染物濃度作為數(shù)據(jù)分析源。采用灰色預(yù)測(cè)法盡可能得挖掘出不同污染物對(duì)于人體健康狀況的影響之間的關(guān)聯(lián)度。由此來(lái)作為二級(jí)指標(biāo)之中的權(quán)重分配，分別為。

3.3 化學(xué)氣體危害性污染指標(biāo)

為消除不同氣體的量綱帶來(lái)的差異，計(jì)算公式如下：

通過(guò)相關(guān)資料查得某一氣體的安全上限值為，致死量為，則其氣體隱患標(biāo)度計(jì)算公式為：

隱患標(biāo)度。 ? ? ?（3）

最終，根據(jù)表所得表AHP權(quán)重比、灰度關(guān)聯(lián)度以及式（1）（2）（3），代入空氣隱患標(biāo)度，得出評(píng)分值。按照評(píng)分等級(jí)的不同（見(jiàn)表3），給出居住建議。

4 軟件搭建：電子鼻數(shù)據(jù)平臺(tái)

通過(guò)測(cè)試軟件與移動(dòng)云臺(tái)的實(shí)際連接測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，搭建軟件系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)深層次分析，并將應(yīng)用上述算法給出相應(yīng)評(píng)分。同時(shí)，將總工況測(cè)量的過(guò)程數(shù)據(jù)和總質(zhì)量排放結(jié)果存貯[2]。在用于向用戶(hù)展示所測(cè)量結(jié)果的軟件部分，選擇了較為簡(jiǎn)單并且界面美觀的VB語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。

首先，整個(gè)程序共分為兩個(gè)大的部分。一個(gè)是用于向用戶(hù)直觀展示結(jié)果的數(shù)據(jù)圖表部分，這一部分我們通過(guò)VB內(nèi)的Chart控件來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。這些直方圖會(huì)分別展示CO，O3，甲醛，光敏和濕度的值。最后是在對(duì)于所讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析后得出AQI的值，并就該AQI指數(shù)，對(duì)于用戶(hù)所在室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，然后給出最終的評(píng)估結(jié)果。

關(guān)于Chart控件：利用系統(tǒng)中提供的IO以及Text函數(shù)庫(kù)對(duì)文件進(jìn)行讀取之后，將所測(cè)量的結(jié)果每個(gè)日期為一張表，時(shí)間作為主鍵，將所有污染物的濃度值存入Access數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)污染物的數(shù)據(jù)，先新建一個(gè)ChartArea，每個(gè)ChartArea對(duì)應(yīng)一個(gè)污染物的濃度隨時(shí)間變化的圖。而每個(gè)ChartArea中的一個(gè)直方圖數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)Series。這個(gè)Series對(duì)應(yīng)兩個(gè)屬性，一橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)，一個(gè)縱坐標(biāo)污染物濃度的值。在對(duì)圖標(biāo)進(jìn)行初始化之后，對(duì)Series數(shù)組進(jìn)行賦值即可。

5 結(jié)語(yǔ)

該算法的特點(diǎn)主要在于：對(duì)于難以定量衡量的指標(biāo)，例如外部局部因素和人體抵抗因素，可以采用層次分析法來(lái)比較矩陣。對(duì)于不同氣體濃度的指標(biāo)對(duì)于二級(jí)因素的重要度采用灰度預(yù)測(cè)挖掘其中的隱含比重。這與一個(gè)城市空氣污染大數(shù)據(jù)的特征相聯(lián)系。對(duì)于濃度測(cè)定的值，采用隱患標(biāo)度，用權(quán)重比來(lái)修正，定量的辨識(shí)出空氣質(zhì)量。

該檢測(cè)裝置相比的優(yōu)勢(shì)如下：傳感模塊與傳動(dòng)部分可拆分，傳感模塊可以單獨(dú)作為一個(gè)平臺(tái)，作為靜態(tài)的工作裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)諝赓|(zhì)量的檢測(cè)與評(píng)估;多種氣體檢測(cè)傳感器組合，較為全面地分析空氣的有害氣體含量;通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)通訊，運(yùn)用分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解決單片機(jī)運(yùn)算能力不足、功能擴(kuò)展性不強(qiáng)的短板;記錄歷史數(shù)據(jù)，有利于對(duì)有害氣體含量的變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。對(duì)居住民的生活健康提供合理建議。

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