室内空气污染监测 清华学生发明系统实时检测室内空气质量 3秒显示污染信息

北京的夏天，不是蓝天就是烈日，或者暴雨。远离雾霾，人们似乎忘记了空气污染。中国建筑研究院专家表示，室内空气质量往往被忽视。其实甲醛、挥发性气体等室内污染物的种类和浓度远高于室外污染物，其危害不亚于雾霾。大多数人每天80%以上的时间都在各种建筑里度过。室内环境对人们的健康非常重要。但是要求环保公司做一个测试，时间很长，费用很大。有没有简单易用的装置可以实时检测空不同室内位置的空气质量，引导人们开窗通风净化空空气？清华大学大四学生刘天怡和他的同学开发了一套“室内空空气污染视觉检测系统”，使得空空气质量检测变得简单易行。目前，他们的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，刘天怡从黑龙江省哈尔滨市考入清华大学，就读于现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，大二学生刘天怡参加了一个重大装备“故障预测与健康管理系统”的研究项目。“在运输过程中，有必要连续监测其储存间的温度和湿度空”经过半年的实验室“泡”，刘天怡印象最深的是气体检测的三大特点:可测量数据、设备能耗低、无线数据传输。

也是在今年，雾霾继续席卷华北和长江三角洲，空气质量成为北京乃至全国公众关注的焦点。清华大学的刘天怡也感受到了这种变化。晚上他喜欢在羊蹄甲学生公寓前的操场上跑来跑去，但灰暗的日子让他的声音很不舒服。刘天怡说:“北京已经有了空空气质量监测系统，所以我想，室外空空气很差，室内空空气很可能被污染了。你能做一个系统装置来检测室内空空气质量吗？”

他在网上搜了一下，发现有些环境检测公司已经开展了室内空气体检测业务，但是价格昂贵，需要预约，耗时较长，检测只能逐点进行。“我想成为一个能同时反映我家任何地方气体质量的系统空，不是一个‘点’而是一个‘面’。”刘天怡下定了决心。这种系统的关键指标是可测量的数据、低能耗和可传输的数据。而这恰恰是他最近的收获。

研发历时半年自主设计无线传输设备

下定决心，行动迅速开始。2012年下半年，升大三的刘天怡急需招聘。他在清华大学鼓励科技创新的星火班找到了两个志同道合的学生，一个是精密仪器专业的李凌，另一个是机械专业的蔡东。在他的班上找到了两个“同事”程文学和周丹。正式组建了一个五人小组。他们还得到学校5000元的资助。

这个五人团队完全不符合清华工科专业男多女少的特点——只有刘天怡和蔡东是男生。时间不等人。经过两天的讨论，指定五个人负责硬件、电路和测试；蔡东负责芯片和编程；李玲负责机械结构设计；周丹负责与无线电传输相关的射频技术；程文学负责计算机软件和数据库。

大家的特长都发挥到了极致。回顾整个研究，最困难的一步是克服无线传输技术。他们知道市场上有现成的无线电发射模块，但经过反复考虑，他们决定独立开发。“一是因为市面上卖的无线模块太大，不符合我们的轻量级设备定位；二是他们定价过高；另一个最重要的原因是我们想制造自己的技术。”刘天怡说。

再开发有多容易？他们设计焊接了一晚上的调制电路，但安装了发射天线后，无论如何也发不出信号，只好重新设计。这次往返是一周。再试一次，还是不行，再来。第三次无线传输的距离终于“有了一个床板的距离”，这无疑是一个振奋人心的消息。他们把它推倒，再试一次。第四次信号传输距离稳定保持在30米以上。他们成功了。这时，他们开始这个项目已经半年了。

接下来的研发是理所当然的事情，电脑软件形成的很快，传感器的购买和安装也很顺利。到2013年初，整个系统终于开发成功。

效果50平米房间3秒钟显示污染信息

近日，在清华大学紫荆学生公寓，记者看到了这套检测终端。乍一看，它们只是小盒子，每个盒子只有一副扑克牌那么大，只是每个盒子上有一个大约10厘米长的天线。刘天怡说，在这个系统中，四个盒子没有配备传感器，它们承担着“定位基点”的作用。装有空空气质量传感器的盒子接收来自“定位基点”的信号，这样它们就可以通过三维立体确定自己的位置。

刘天怡熟练地启动了一个传感器，同时在他的笔记本电脑上打开了一个软件。大约3分钟后，软件显示出类似热成像效果的地图。很快，地图的一种颜色开始从蓝色变成黄色，最后变成橙红色，“表明这个地方的空气污染物浓度很高，颜色越红，浓度越大。”刘天怡说，具体的浓度数据可以通过软件恢复获得。

刘天怡说，他们曾经找到一个大约50平方米的房间进行测试。启动传感器后，他们把传感器盒放在一个故意洒了一点甲醛的地方。结果三秒后，电脑上的软件收到了甲醛浓度过高的数据信息，“非常敏感。”

遗憾未能将PM2.5纳入检测范围

刘天怡告诉记者，该系统的硬件配置包括四个定位基点、一个网关和任意数量的传感器检测终端。“你最多可以设置122个终端，覆盖一个房子的任何角落，没问题，随时测试，随时反馈。这是它和普通室内空气体检测方法最大的区别。”

他说，经过测试，该系统的气体检测精度可以达到百万分之六，位置检测精度可以达到0.5米以内，完全满足家庭环境的检测需求。在功耗方面，这个系统也很节能，一次充电可以工作12个小时以上。在成本方面，刘天怡表示，如果能够实现批量生产，四个定位基点、一个网关和三个测试终端的成本将在500元左右。“一般家庭都买得起。”他说打开系统，一旦发现家里某个房间空气污染严重，可以开窗通风或者打开空空气净化器，很有针对性。

记者了解到，目前，该系统的专利申请已经进入实质性审查阶段。刘天怡告诉记者，他们的系统可以检测各种室内空气污染物，如甲醛和氨。然而，对于像PM2.5和PM10这样受到公众广泛关注的颗粒物，该系统并未包括在测试范围内。"合适的传感器不容易找到。"他坦率地说。此外，刘天怡还表示，该系统在人性化方面仍需进一步完善，如开发配套的手机客户端软件。“这不能说是遗憾。”

今年下半年，刘天怡将升入研究生阶段。他选择攻读硕士学位。经过五年的努力，他的专业是“惯性技术”。“这个系统和我之前做过的研究方向完全不同。”他说，如果有时间，室内空空气污染视觉检测系统会尽可能完善。

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