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大四学生开发检测系统室内空气质量也能实时检测

https://www.biud.com.cn 2014年07月01日16:15 家居装修知识网

夏日的北京，或是蓝天烈日，或是暴雨倾盆。雾霾的远离，让人们仿佛忘记了还有空气污染这回事儿。中国建筑科学研究院的专家表示，室内空气质量经常被人忽视，其实很多时候室内甲醛、挥发性气体等污染物的种类和浓度都远超户外，其危害不亚于雾霾。

大多数人每天超过80%的时间是在各类建筑物内度过的，室内环境对于人们的健康至关重要。可是请环境公司做一次检测，耗时长，花费大。有没有一种简便易用的装置，能够实时检测室内不同地点的空气质量，指导人们开窗通风、净化空气呢？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。刘天一告诉记者，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

近日，在清华大学紫荆学生公寓，记者见到了这套室内空气检测系统的简化版。粗一看，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。

记者了解到，目前这套系统的专利申请已经处于实质审查阶段。刘天一告诉记者，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。

本报记者张航文并图 J067