摘要：以STM32單片機(jī)為控制中心，運(yùn)用多種傳感器，設(shè)計(jì)了一款基于LoRa通信技術(shù)的醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)醫(yī)院室內(nèi)空氣的溫濕度、致病微生物、PM2.5、甲醛、苯、二甲苯和其他揮發(fā)性有機(jī)物濃度等質(zhì)量參數(shù)，并對(duì)預(yù)警參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，用戶可以在客戶端上通過訪問云平臺(tái)查看監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量的功能，實(shí)時(shí)性好，準(zhǔn)確度高，操作簡(jiǎn)單，具有一定的實(shí)用價(jià)值。可應(yīng)用于醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)，最大限度降低空氣質(zhì)量問題對(duì)患者及其家屬和醫(yī)院工作人員的身體健康造成的危害。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);傳感器;LoRa技術(shù);空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè);智能調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）14-0064-03

隨著生活條件的大幅度提高，人們對(duì)身體健康的重視程度越來越高，大型三甲醫(yī)院由于醫(yī)療技術(shù)水平較高，前來就診的病人數(shù)量非常多。三甲醫(yī)院由于人流量巨大，并且診療用品、試劑、藥品都會(huì)散發(fā)有害化學(xué)氣體，導(dǎo)致空氣中所含致病微生物、苯、二甲苯、甲醛、細(xì)顆粒物（PM2.5）和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的濃度較高，空氣污染較為嚴(yán)重，醫(yī)院室內(nèi)尤其是病房?jī)?nèi)發(fā)生交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)越來越高[1]。靜脈輸液配置中心、檢驗(yàn)科、病理科等醫(yī)技科室平時(shí)工作中用到的試劑大部分具有揮發(fā)性，空氣中苯、二甲苯、甲醛等有毒氣體的濃度超標(biāo)，這樣對(duì)患者及其家屬和醫(yī)院工作人員的身體健康造成危害[2]。很多醫(yī)院為了提高病房的安全性和保溫性能，窗戶上安裝了限位器，窗戶可敞開的面積越來越小，導(dǎo)致室內(nèi)的空氣不流通，主要利用新風(fēng)系統(tǒng)和中央空調(diào)系統(tǒng)更換空氣。醫(yī)院病房如果空氣中的溫濕度控制不當(dāng)和顆粒物超標(biāo)，容易滋生各類病菌微生物，產(chǎn)生新的傳染源，容易造成病人與健康人之間、病人之間的交叉感染，對(duì)患者和家屬的健康造成損害[3]。大多數(shù)醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量不好，通風(fēng)不良，往往充滿著消毒液味、藥水味和其他異味，容易使病人及其家屬、醫(yī)護(hù)人員感覺到呼吸不暢、抱怨較多。醫(yī)護(hù)人員如果長(zhǎng)時(shí)間處于苯、二甲苯、甲醛、細(xì)顆粒物和揮發(fā)性有機(jī)物等濃度較高的環(huán)境中，身體容易感到不適，從而無法高效工作。醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞直接影響著醫(yī)院內(nèi)每個(gè)人的身體健康，較差的空氣質(zhì)量容易傳染呼吸性疾病，所以非常有必要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量[4]。

針對(duì)如何有效進(jìn)行醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)的問題，檢測(cè)方法和檢測(cè)工具已經(jīng)較多。在檢測(cè)方法方面，傳統(tǒng)的醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)存在檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確、時(shí)效性差、檢測(cè)效率低等問題，主要依靠醫(yī)院職工定期進(jìn)行檢測(cè)。不能反映不同地點(diǎn)和不同時(shí)間的空氣質(zhì)量所呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)，只能反映取樣點(diǎn)當(dāng)前的空氣質(zhì)量。傳統(tǒng)的檢測(cè)工具都為便攜式移動(dòng)設(shè)備，存在誤差較大的問題，相關(guān)檢測(cè)參數(shù)隨著濃度、密度的不同發(fā)生變化[5]。傳統(tǒng)的醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)主要使用RS-485有線布線方式或ZigBee無線傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)[6]。RS-485有線布線方式由于工程造價(jià)較高，無法廣泛使用。ZigBee無線傳輸方式由于穿透能力較差，傳輸距離較短，可靠傳輸數(shù)據(jù)的性能欠缺[7]。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一款基于LoRa技術(shù)的醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)，當(dāng)甲醛氣體、細(xì)顆粒物PM2.5、揮發(fā)性有機(jī)物氣體濃度超過標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)啟動(dòng)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，最大限度降低因空氣質(zhì)量問題對(duì)患者及其家屬和醫(yī)院工作人員的身體健康造成的危害。

1 LoRa通信技術(shù)

LoRa 技術(shù)是一種傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、多節(jié)點(diǎn)、低成本、易于安裝部署的無線通信技術(shù)，目前在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能建筑等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。LoRa網(wǎng)絡(luò)是典型的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由終端節(jié)點(diǎn)（可內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器組成，可雙向傳輸數(shù)據(jù)[8]。LoRa網(wǎng)關(guān)是傳輸?shù)闹欣^，連接終端節(jié)點(diǎn)和后端服務(wù)器。終端節(jié)點(diǎn)通過無線通信與LoRa網(wǎng)關(guān)連接，再通過以太網(wǎng)絡(luò)或3G網(wǎng)絡(luò)連接到后端服務(wù)器中，終端節(jié)點(diǎn)與LoRa網(wǎng)關(guān)均是雙向通信[9-10]。并且LoRa 技術(shù)的運(yùn)維成本較低，非常適合應(yīng)用于醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

為便于安裝、檢修和實(shí)時(shí)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用LoRa和GPRS 技術(shù)相結(jié)合的方式，將采集到的氣體濃度數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后作為智能調(diào)節(jié)模塊的控制依據(jù)，并將氣體濃度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，用戶可以在客戶端上通過訪問云平臺(tái)查看監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的溫濕度、甲醛氣體濃度、PM2.5濃度、揮發(fā)性有機(jī)物氣體濃度等空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)。此系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)、GPRS模塊、LoRa模塊、電源模塊、智能調(diào)節(jié)模塊、云平臺(tái)、客戶端等組成，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)。當(dāng)揮發(fā)性有機(jī)物氣體濃度或甲醛氣體濃度超標(biāo)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)智能調(diào)節(jié)模塊工作。監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收和處理各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。當(dāng)PM2.5 濃度超標(biāo)時(shí)，監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)則通過報(bào)警方式通知用戶采取相應(yīng)措施。LoRa模塊用于遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，GPRS模塊用于將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云平臺(tái)，電源模塊為系統(tǒng)提供電能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)采用STM32F103VET6單片機(jī)作為處理器，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.2 傳感器的選型

本系統(tǒng)選用的PM2.5傳感器型號(hào)為PMS3003數(shù)字式通用顆粒物傳感器，溫濕度傳感器選用的是DTH11傳感器，揮發(fā)性有機(jī)物傳感器選用的是MAQ400混合氣體傳感器，可以同時(shí)檢測(cè)甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚、乙苯、氨氣等有機(jī)揮發(fā)性氣體的含量，甲醛傳感器選用的是DS-HCHO數(shù)字輸出式傳感器。66DBC426-1084-4E1A-B9AE-31DE04CCCD64

3.3 監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)采用STM32F103VET6單片機(jī)作為處理器，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

3.4 智能調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)

智能調(diào)節(jié)模塊由風(fēng)扇、前置濾網(wǎng)、HEPA濾網(wǎng)、活性炭纖維濾網(wǎng)、自催化氧化網(wǎng)和紫外線燈等部分組成。當(dāng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇，風(fēng)扇吹動(dòng)污染物通過一系列濾網(wǎng)后，污染物被濾網(wǎng)吸附和降解，達(dá)到凈化空氣的效果。前置濾網(wǎng)、HEPA濾網(wǎng)和活性炭纖維濾網(wǎng)三層嵌套使用，可有效清除室內(nèi)空氣中的甲醛氣體、細(xì)顆粒物和揮發(fā)性有機(jī)物氣體等?；钚蕴坷w維濾網(wǎng)和前置濾網(wǎng)可以直接用清水沖洗反復(fù)利用，成本得到降低。將表面負(fù)載納米二氧化鈦的泡沫鎳濾網(wǎng)和紫外線燈配合起來使用，具有很強(qiáng)的氧化能力，既可消滅被一系列濾網(wǎng)吸附到的霉菌和細(xì)菌，又可高效降解空氣中的苯、甲醛、細(xì)顆粒物和大部分揮發(fā)性有機(jī)污染物，直接分解成水和二氧化碳，達(dá)到凈化空氣的效果。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。

4.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要由傳感器采集模塊、STM32單片機(jī)、LoRa模塊和智能調(diào)節(jié)模塊等構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件運(yùn)行流程如圖4 所示。為了有效降低功耗，傳感器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)連接上之后，傳感器節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間采集室內(nèi)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)并通過LoRa技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)在采集周期外就進(jìn)入休眠模式，之后當(dāng)達(dá)到檢測(cè)周期時(shí)又重新被喚醒繼續(xù)采集室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。

4.2 監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)通過LoRa模塊接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，并傳輸至STM32單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。系統(tǒng)開機(jī)初始化后，檢測(cè)是否成功連接上各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，當(dāng)成功連接后接收節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行融合處理，并通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至云平臺(tái)，用戶則可以在客戶端上通過訪問云平臺(tái)查看監(jiān)控區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)。LED顯示屏模塊則可以實(shí)時(shí)顯示采集到的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)，判斷是哪種空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)超標(biāo)。當(dāng)判斷為揮發(fā)性有機(jī)物氣體或甲醛氣體超標(biāo)時(shí)，發(fā)送指令給傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)智能調(diào)節(jié)模塊。當(dāng)判斷為PM2.5 濃度或溫濕度超標(biāo)時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警模塊，通知用戶采取相應(yīng)措施。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在某三甲醫(yī)院檢驗(yàn)科內(nèi)布置實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)，抽取4間實(shí)驗(yàn)室各放置1個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并將監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)放置在檢驗(yàn)科會(huì)議室，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)PM2.5、溫濕度、VOCs和甲醛等環(huán)境信息。在兩間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別放置節(jié)點(diǎn)1 和節(jié)點(diǎn)2 ，采用室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)抽取方法在12 小時(shí)內(nèi)每隔2個(gè)小時(shí)抽取環(huán)境信息，并做數(shù)據(jù)記錄，表1和表2為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從表1、表2可以看出，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)變化情況相似，在12點(diǎn)時(shí)PM2.5濃度超標(biāo)，監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)隨即啟動(dòng)報(bào)警裝置。在14點(diǎn)時(shí)甲醛和易揮發(fā)性有機(jī)物濃度超標(biāo)，傳感器節(jié)點(diǎn)隨即啟動(dòng)智能調(diào)節(jié)模塊，甲醛和揮發(fā)性有機(jī)物濃度很快降低到室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值下面。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)是否超標(biāo)，并能有效吸收、降解甲醛和易揮發(fā)性有機(jī)物。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一款基于LoRa通信技術(shù)的醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)醫(yī)院室內(nèi)空氣的溫濕度、致病微生物、PM2.5、甲醛、苯、二甲苯和其他揮發(fā)性有機(jī)物濃度等質(zhì)量參數(shù)，并對(duì)預(yù)警參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，用戶可以在客戶端上通過訪問云平臺(tái)查看監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量的功能，實(shí)時(shí)性好，準(zhǔn)確度高，操作簡(jiǎn)單，具有一定的實(shí)用價(jià)值?？蓱?yīng)用于醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)，最大限度降低空氣質(zhì)量問題對(duì)患者及其家屬和醫(yī)院工作人員的身體健康造成的危害。

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收稿日期：2022-01-03

作者簡(jiǎn)介：陸軍（1987—），男，浙江紹興人，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用、醫(yī)院后勤信息化。66DBC426-1084-4E1A-B9AE-31DE04CCCD64