賈澤婧（上海市浦東復(fù)旦附中分校，上?！?01209）

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，人們對(duì)于學(xué)習(xí)、生活的安全性、舒適性要求日益增長(zhǎng)[4]。盡管目前已經(jīng)在大部分城市安裝了 PM2.5 監(jiān)測(cè)設(shè)備，但這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)是相對(duì)城市之間設(shè)立的，區(qū)域范圍比較大，不能確切反映出具體某一個(gè)地點(diǎn)的污染指數(shù)，特別是教學(xué)樓、工廠等人口密度比較大的場(chǎng)所。學(xué)校校園是同學(xué)們?nèi)粘＜w學(xué)習(xí)、生活、運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)所，校園生活的一天，從早自習(xí) 7：30 開(kāi)始，到下午 16：00 左右放學(xué)，有的學(xué)校還有晚自習(xí)，同學(xué)們的在校時(shí)間超過(guò) 8 h 以上。每日大于 1/3 的時(shí)間生活在學(xué)校，校園內(nèi)的環(huán)境空氣質(zhì)量直接影響同學(xué)們的身體健康，也影響同學(xué)們的學(xué)習(xí)效率。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上對(duì)校園環(huán)境的檢測(cè)主要是針對(duì)新學(xué)校、新教室的空氣質(zhì)量作某一時(shí)間段內(nèi)的衡量，并且只是單一儀器測(cè)量，沒(méi)有做到 24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)控，也沒(méi)有形成網(wǎng)絡(luò)。

基于以上情況綜合分析，本文提出開(kāi)發(fā)一種中小學(xué)校園健康環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)不同類(lèi)別的空氣監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)、在線、定量化地反映實(shí)際校園環(huán)境，對(duì)照是否滿(mǎn)足適合學(xué)生人群體質(zhì)的環(huán)境空氣指標(biāo)，根據(jù)實(shí)際校園內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可為學(xué)校管理人員提供環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)化調(diào)節(jié)方案，保障學(xué)校校園的環(huán)境質(zhì)量。

1　校園的環(huán)境質(zhì)量

實(shí)現(xiàn)校園的健康環(huán)境，既包括學(xué)校教室、圖書(shū)館等室內(nèi)環(huán)境，也包括學(xué)校操場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等室外環(huán)境。影響校園環(huán)境的因素很多(圖1)。一方面，來(lái)自于學(xué)校周邊，有城市大氣環(huán)境污染的影響，如大氣灰霾 PM2.5 污染、SO2污染；也有校園周邊的環(huán)境污染，如機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣、交通車(chē)流噪聲、加油站散發(fā) VOC (可揮發(fā)性有機(jī)物)，甚至有路邊燒烤、飯店油煙等。另一方面，來(lái)自教室內(nèi)，桌椅家具會(huì)散發(fā)出甲醛、苯等化學(xué)污染物，室內(nèi)建筑內(nèi)墻涂料散發(fā) VOC 揮發(fā)性有機(jī)物；教室內(nèi)的學(xué)生人群呼吸可引起室內(nèi) CO2濃度過(guò)高發(fā)困，以及流行性感冒的病菌傳播引起的交叉污染等。另外，來(lái)自操場(chǎng)上，不良的校園塑膠跑道材料可引起學(xué)生急性中毒事件。

圖1　校園環(huán)境的影響因素關(guān)系

2　校園環(huán)境質(zhì)量依據(jù)及監(jiān)測(cè)指標(biāo)

環(huán)境監(jiān)測(cè)是運(yùn)用現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)手段測(cè)取數(shù)據(jù)，并把環(huán)境數(shù)據(jù)資料加以運(yùn)用的科學(xué)活動(dòng)，是用科學(xué)的方法監(jiān)視和監(jiān)測(cè)反映環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢(shì)的各種數(shù)據(jù)的過(guò)程。

現(xiàn)有的相關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，包括適合室外及周邊環(huán)境的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[2]，以及適用于室內(nèi)環(huán)境的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。對(duì)室外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)塑膠跑道，上海市 2016 年已出臺(tái)相關(guān)污染限值標(biāo)準(zhǔn)[5]。參考以上環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合考慮學(xué)生身體素質(zhì)低于成年人，以及考慮提供良好的環(huán)境可提高學(xué)習(xí)效率，對(duì)校園健康環(huán)境質(zhì)量水平應(yīng)該高于以上參考標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上文提及的典型污染，本文篩選出適合中小學(xué)校園的可在線監(jiān)測(cè)的環(huán)境指標(biāo)，并提出相關(guān)限值濃度，見(jiàn)表1。

3　校園環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)校園長(zhǎng)期保持健康環(huán)境，作者設(shè)計(jì)一套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖2。該設(shè)計(jì)主要包括綠色供電系統(tǒng)、環(huán)境在線監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)校園內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度、濕度、光照情況、PM2.5 等數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞到校園環(huán)境監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)，進(jìn)行有效發(fā)布。

表1　校園環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)參數(shù)及限值

圖2　校園健康環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1　綠色供電系統(tǒng)

綠色供電系統(tǒng)用于滿(mǎn)足校園在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用電保障。為實(shí)現(xiàn)校園健康環(huán)境理念，節(jié)約能源，本設(shè)計(jì)采用風(fēng)力機(jī)發(fā)電與光伏板發(fā)電系統(tǒng)做為綠色能源(圖3)，如有發(fā)電結(jié)余，可通過(guò)電池蓄電，用于校園晚間路燈用電。當(dāng)風(fēng)力和光伏發(fā)電不足條件下，可連接市供電系統(tǒng)作為備用應(yīng)急電源。

圖3　光伏與風(fēng)力發(fā)電綠色供電系統(tǒng)

3.2　環(huán)境在線監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)

環(huán)境在線監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)，是指使用傳感器等微小的敏感元件，對(duì)室內(nèi)環(huán)境空氣指標(biāo)實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)的測(cè)試技術(shù)?？諝鈧鞲衅骶哂形⑿突⒓苫?、抗腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)使用一個(gè)或多個(gè)傳感器集成應(yīng)用，可以大大降低使用環(huán)境及人員技術(shù)的要求。

根據(jù)上文提出的室內(nèi)、室外環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)，對(duì)校園里的教室、實(shí)驗(yàn)室、大禮堂等室內(nèi)環(huán)境安裝甲醛、TVOC、PM2.5、CO2在線監(jiān)測(cè)傳感器元件(圖4～7)，普通教室、實(shí)驗(yàn)室可在前后各放置1個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，高度可按學(xué)生坐高來(lái)定，主要測(cè)試呼吸集中區(qū)域的數(shù)據(jù)；大禮堂等室內(nèi)面積比較大，可多放置幾個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)。在校園操場(chǎng)等室外附近可安裝甲醛、PM2.5、TVOC 等在線監(jiān)測(cè)傳感器元件。對(duì)于有特殊要求環(huán)境，可安裝其他傳感器，如臭氧、噪聲等相關(guān)傳感器元件。對(duì)室外周?chē)h(huán)境有多個(gè)污染源時(shí)，可安裝氣象環(huán)境系統(tǒng)，可測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、揚(yáng)塵等，以判斷污染源的來(lái)源和強(qiáng)度。環(huán)境測(cè)試用傳感器可按如下方式選擇。

(1) 甲醛傳感器。甲醛傳感器(圖4)采用兩電極電化學(xué)式的擴(kuò)散原理，與精良的電路設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，進(jìn)行氣體濃度的測(cè)量。在甲醛氣體存在時(shí)會(huì)產(chǎn)生微小的電流，同時(shí)對(duì)醇類(lèi)、苯和萘等氣體也有一定程度的響應(yīng)。傳感器自身不需要電源，但需要放大電路以使其可被外部數(shù)據(jù)采集設(shè)備所用。

(2) TVOC 傳感器。TVOC 傳感器(圖5)是用來(lái)測(cè)試室內(nèi)空氣污染物的傳感器。TVOC 是一類(lèi)重要的空氣污染物，在常溫下可以蒸發(fā)的形式存在于空氣中，它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的氣味性，會(huì)影響皮膚和黏膜，對(duì)人體產(chǎn)生急性損害。

(3) PM2.5 激光傳感器?，F(xiàn)有對(duì)顆粒物檢測(cè)的傳感器主要有兩種：紅外原理粉塵傳感器和激光原理粉塵傳感器。紅外原理粉塵傳感器只能檢測(cè)到 1 μm 以上的顆粒，而激光傳感器可以檢測(cè)到 0.3 μm 以上的顆粒。因?yàn)樽詭Ц咝阅蹸PU，采用風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)采集大量數(shù)據(jù)，經(jīng)由專(zhuān)業(yè)顆粒計(jì)數(shù)算法分析，可獲得較為準(zhǔn)確的濃度值。因此，對(duì) PM2.5指標(biāo)的測(cè)試一般選用 PM2.5 激光傳感器(圖6)。

(4) 氣象監(jiān)測(cè)微站系統(tǒng)。采用氣象監(jiān)測(cè)微站系統(tǒng)(圖8)可準(zhǔn)確、高效地采集輸電線路氣象信息。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于輸電線路環(huán)境氣象比較復(fù)雜的區(qū)域，主要對(duì)輸電線路走廊局部氣象數(shù)據(jù)及其變化狀況進(jìn)行探測(cè)與采集，如溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、氣壓、日照等。

(5) 氣體傳感器。MEMS 微結(jié)構(gòu)氣體傳感器(圖9)近年來(lái)發(fā)展速度迅猛，為了滿(mǎn)足檢測(cè)需求，在同一片基體上可以同時(shí)集成多個(gè)氣敏單元，形成氣敏陣列結(jié)構(gòu)，通過(guò)模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以同時(shí)檢測(cè)出混合氣體中每種氣體的濃度值。除使用以上單項(xiàng)功能的傳感器外，本文推薦采用 MEM 微結(jié)構(gòu)類(lèi)型氣體傳感器，來(lái)有效地控制工作溫度，減少環(huán)境的影響，最大限度地提升氣敏材料的氣敏特性。

圖4　甲醛傳感器

圖5　TVOC傳感器

圖6　PM2.5激光傳感器

圖7　CO2傳感器

圖8　氣象監(jiān)測(cè)微站系統(tǒng)

圖9　MEM微型氣體傳感器

3.3　數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)采集在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)傳給校園監(jiān)控中心。在該系統(tǒng)中，在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間及頻次等功能由監(jiān)控中心的服務(wù)器控制?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備需要配置數(shù)據(jù)采集器，監(jiān)測(cè)儀器可采用多種數(shù)據(jù)輸出方式，實(shí)時(shí)采集在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)封裝成 UDP (用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議)格式數(shù)據(jù)包，然后按照 IP 協(xié)議格式加上報(bào)頭和報(bào)尾封裝成 IP 數(shù)據(jù)報(bào)。無(wú)線通訊模塊將數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)化成短消息，通過(guò)無(wú)線鏈路傳送到 GPRS 服務(wù)支持結(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)分組，發(fā)送到 GPRS 網(wǎng)關(guān)支持結(jié)點(diǎn)，由其對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)從 GPRS 網(wǎng)絡(luò)到因特網(wǎng)的轉(zhuǎn)換，再根據(jù)其目的 IP 選擇路由傳送到校園監(jiān)控中心。

3.4　數(shù)據(jù)監(jiān)控發(fā)布系統(tǒng)

對(duì)校園健康環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)立校園環(huán)境監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)，可用于環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和實(shí)時(shí)發(fā)布。然后由監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)布校園內(nèi)各教室、實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)環(huán)境情況。

3.4.1校園監(jiān)控中心

監(jiān)控中心分為一級(jí)監(jiān)控中心和二級(jí)監(jiān)控中心。一級(jí)監(jiān)控中心可設(shè)在市或區(qū)教育局，主要負(fù)責(zé)接收監(jiān)測(cè)儀器通過(guò)GPRS 終端傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集指令也由一級(jí)監(jiān)控中心服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，再通過(guò)有線網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉?jí)監(jiān)控中心即各學(xué)校監(jiān)控平臺(tái)，由其對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。兩級(jí)監(jiān)控中心分別部署一個(gè)通訊服務(wù)器軟件、數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)器軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器軟件，負(fù)責(zé)同 GPRS 終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

一級(jí)監(jiān)控中心發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器收到后，即向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)，如中心收到的數(shù)據(jù)無(wú)誤，則通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站繼續(xù)傳遞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)將儀器運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)等狀況信息向監(jiān)控中心發(fā)送。數(shù)據(jù)收發(fā)軟件中設(shè)有監(jiān)控所需的 DBF 數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)首次運(yùn)行將首先檢索連接的數(shù)據(jù)庫(kù)，如果安裝設(shè)備的自動(dòng)站與系統(tǒng)原設(shè)置的數(shù)據(jù)庫(kù)連接不符合，系統(tǒng)自動(dòng)提示進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)連接設(shè)置。數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信息渡船進(jìn)到專(zhuān)網(wǎng)，最后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。

3.4.2數(shù)據(jù)監(jiān)控與發(fā)布系統(tǒng)

校園監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，可通過(guò)手機(jī) APP 軟件進(jìn)行發(fā)布，或微博賬號(hào)進(jìn)行當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)的發(fā)布?？娠@示單個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)顯示城市公共環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這一系統(tǒng)能讓學(xué)生和家長(zhǎng)通過(guò)手機(jī)了解校園環(huán)境空氣水平，或者接入校園 LED 公告發(fā)布板，或通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)校園環(huán)境信息的有效發(fā)布傳播。

數(shù)據(jù)監(jiān)控管理與發(fā)布系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，功能組成主要包括數(shù)據(jù)信息處理及加工、環(huán)境管理決策信息發(fā)布兩部分，集數(shù)據(jù)收發(fā)、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、分析、表征、發(fā)布為一體。監(jiān)控中心數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)器通過(guò)寬帶網(wǎng)與因特網(wǎng)相連，環(huán)保系統(tǒng)各應(yīng)用部門(mén)通過(guò)光纖與省或市監(jiān)控中心專(zhuān)網(wǎng)服務(wù)器相連，不具備光纖相連條件的終端通過(guò)因特網(wǎng)與省監(jiān)控中心數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)器相連。數(shù)據(jù)監(jiān)控管理與發(fā)布系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源主要類(lèi)別為來(lái)自各教室、圖書(shū)館、實(shí)驗(yàn)室的甲醛、PM2.5、CO2、溫濕度等；來(lái)自室外監(jiān)測(cè)點(diǎn)的甲醛、PM2.5、氣象參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

在信息處理及加工部分，可以通過(guò)查詢(xún)界面對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)，可查詢(xún)各指標(biāo)的小時(shí)均值、日均值、月均值等，可查詢(xún)各類(lèi)污染指數(shù)、質(zhì)量級(jí)別、狀況，形成日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)等，并通過(guò)表格、柱狀圖、曲線圖進(jìn)行顯示；可顯示儀器運(yùn)行情況和現(xiàn)場(chǎng)儀器的圖片，顯示測(cè)試站的位置、實(shí)時(shí)變化的數(shù)據(jù)、污染指數(shù)、超標(biāo)警報(bào)等。

3.5　預(yù)警與處置

對(duì)于來(lái)自室外環(huán)境污染物侵入室內(nèi)時(shí)，如室外灰霾PM2.5 污染，應(yīng)考慮關(guān)閉門(mén)窗，通過(guò)新風(fēng)過(guò)濾系統(tǒng)、空氣PM2.5 凈化器降低PM2.5濃度。如由室內(nèi)源引起污染，需要判別室內(nèi)污染源，如課桌椅、墻面裝飾材料、內(nèi)墻涂料、膠黏劑等污染問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)更換建材裝修材料和污染桌椅；如是學(xué)生密集引起的 CO2濃度過(guò)高，應(yīng)考慮提高通風(fēng)水平等相應(yīng)措施。

對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)也可以實(shí)現(xiàn)預(yù)警，如對(duì)室內(nèi) PM2.5 濃度或室內(nèi)空氣質(zhì)量設(shè)置污染水平級(jí)別，分別設(shè)立優(yōu)、良、中、差的環(huán)境質(zhì)量級(jí)別。當(dāng)環(huán)境條件為“差”時(shí)，認(rèn)為教室環(huán)境無(wú)法滿(mǎn)足正常的學(xué)習(xí)環(huán)境，應(yīng)考慮學(xué)生休假等方式設(shè)置預(yù)警解決方案。通過(guò)以上在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基本可以滿(mǎn)足對(duì)校園內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能要求，實(shí)現(xiàn)校園環(huán)境質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4　結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種校園健康環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目的是實(shí)現(xiàn)健康校園環(huán)境目標(biāo)。在智慧校園、綠色校園、節(jié)能型校園的背景下，以學(xué)生們的健康為設(shè)計(jì)目標(biāo)的健康環(huán)境校園更體現(xiàn)以人文本的理念。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)的發(fā)展，對(duì)校園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以更廣泛的拓展，不僅包括空氣質(zhì)量環(huán)境，還可以包括聲環(huán)境、光環(huán)境、熱環(huán)境、細(xì)菌污染環(huán)境，確保校園內(nèi)學(xué)生和老師的健康，以及營(yíng)造良好、舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)身體素質(zhì)，杜絕學(xué)校傳染病傳播等。

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