食品安全实验室环境空气质量的智能监测及报警系统设计开题报告

全文总字数：7501字

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

1 课题的意义

实验室的空气质量问题严重威胁着科研人员的身体健康。据调查，科研人员一天中的大部分时间都是在实验室度过，而实验室内普遍存储有大量对人体危害较大的挥发性试剂^[1-2]；实验室通风情况不佳易使有害气体浓度超标，且很多高校并没有为实验室安装环境气体质量检测装置，这使工作人员的身体健康处于极大的威胁之中^[3-4]。为求创新，国内外高校和各企业积极建设现代化实验室，引进高科技人才。受此启发，将新一代信息技术的重要组成部分——物联网技术应用于环境安全监测中^[5]，利用无线传感网络，以实现检测的智能化，保证数据的实时有效传输成为与现代化实验室相配套的空气质量检测的新方向^[6-7]。通过我们所设计的实验室环境空气质量智能监测及报警系统，以实现对实验室内有毒有害气体实时精确的监测，旨在创造健康舒适的实验室环境，保障科研人员的安全。

2 国内外研究概况

2. 研究的基本内容和问题

1 研究目标

目前，高校各类化学、生物和综合性实验室污染较为严重，空气质量水平较差，但我国对于实验室的安全政策方面还不够完善，且大部分实验室都没有安装空气质量监测装置，这对于科研创新是一项极大的隐患，严重危害着科研技术人员的身体健康。本系统的目标在于，首先通过数据调查和查阅资料确定实验室内安全隐患较大的空气指标，然后根据传感器选型原则选择灵敏度高、稳定性好、选择性优良的传感器模块，然后利用Arduino或树莓派开源电子原型平台和新兴物联网等相关技术，充分结合现代化实验室的智能化、简便化特征，使系统能够实时有效的监测实验室的空气状况，保障实验室的空气质量和工作人员的身体健康。

2 研究内容

2.1实验室空气成分

通过调查实验室的试剂使用情况以及试剂的挥发性、毒性排序，确定实验室内易挥发试剂；调查现有室内空气质量智能检测仪的检测指标，作为参考；通过查阅文献和江苏省理化检测中心的调查进一步确认；最后结合GB/T 18883-2002《室内空气质量标准》中的规定指标确定要检测的实验室空气成分。

调查数据及分析如下：

表1实验室试剂使用情况

据调查，有约百分之九十二的实验室会用到浓盐酸，约百分之八十的实验室会用到氯仿，约百分之六十的实验室会用到丙酮，约百分之三十五的实验室会用到乙醚，约百分之三十的实验室会用到甲苯。

表2实验室试剂使用总量

通过调查各个实验室近一年的使用记录，然后按试剂种类求和，得到每种试剂的使用总量。在使用量方面，丙酮最多，氯仿第二，其次是浓盐酸、石油醚、乙醚、甲苯等。

表3挥发性试剂的毒性

通过查询化学品安全技术说明书，得到各种试剂的半数致死浓度（mg/m3）,由上图可以看到，氨气毒性最大，其次是乙酸乙酯、乙腈、甲苯、氯仿等；浓盐酸没有毒性，但是具有强腐蚀性；没有查到丙酮的半数致死浓度（LC₅₀），但是根据GBZ 2.1-2007《工作场所有害因素职业接触限值 第1部分：化学有害因素》，丙酮和乙醚的时间加权平均容许浓度（PC-TWA mg/m3）相同，所以猜测丙酮和乙醚的半数致死浓度相近，同属低毒性；以上试剂的毒性均无性别差异。

表4GB/T18883－2002《室内空气质量标准》

结论：主方案为检测一氧化碳、二氧化碳、甲醛、苯四种气体指标。若检测苯和甲醛难度太大，则选择一氧化碳、二氧化碳、挥发性有机物三个指标。

2.2 气体浓度

根据传感器选型原则选择灵敏度高、选择性好、稳定性高的传感器模块，MQ-7（一氧化碳传感器）、MQ-135（苯类传感器）、MQ-138（甲醛传感器）和MG-811（二氧化碳传感器）。然后通过系统硬件安装和软件调试，检测实验室空气中一氧化碳、二氧化碳、甲醛、苯四种气体的浓度。按照表4 GB/T18883－2002《室内空气质量标准》和表5 GBZ 2.1-2007《中华人民共和国国家职业卫生标准——工作场所有害因素职业接触限值--化学有害因素》，当空气中一氧化碳浓度超过10mg/m³、二氧化碳浓度超过9000mg/m³、甲醛浓度超过0.1mg/m³、苯浓度超过0.11mg/m³或总挥发性有机物TVOC浓度超过0.6mg/m³时蜂鸣器便会发出警报。

表5 GBZ 2.1-2007《中华人民共和国国家职业卫生标准——工作场所有害因素职业接触限值--化学有害因素》

2.3系统硬件的搭建

通过网络课程，学习如何将多个传感器组成传感器阵列，传感器阵列、蜂鸣器与ArduinoUno开发板的连接，无线通信模块的应用。

2.4软件程序设计

学习ArduinoIDE或Raspberry PiPython程序编写，以及传感器和开发板连接的通信协议，保证系统能够及时准确接收传感器收集到的数据、目标气体浓度超标蜂鸣器可及时报警；最后根据传输距离和传输速度的需求选择合适的无线通信模块，使收集到的数据能够传送到实验室内PC端并实时刷新。

2.5系统校正及调试

配置具体浓度的标准气体检验系统的准确性、灵敏度和选择性，然后进行校准和调试。预期结果是系统灵敏度和准确性优良但是选择性存在缺陷，此时需启用第二方案，将选择性较差的传感器换成指标相近的传感器模块。

3 拟解决的关键问题

某些传感器比如甲醛传感器、苯类传感器对多种气体敏感，可能导致检测结果不够准确。我们将选用多个传感器进行弥补，然后经过特定公式计算，最终得到较准确的浓度。或者启用备选方案，将检测难度太大的指标换成相近的更容易检测的指标。

3. 研究的方法与方案

1 研究方法及实验方案

1.1 数据调查

通过查阅文献资料，调查实验室的试剂使用情况以及试剂的挥发性、毒性排序，向江苏省理化检测中心咨询并进一步确认，最后根据国家标准gb/t 18883-2002《室内空气质量标准》确定检测指标为一氧化碳、二氧化碳、甲醛、苯或者一氧化碳、二氧化碳、挥发性有机物。

4. 研究创新点

将新兴物联网技术与传感器相结合，采用评价优良、功能强大的Arduino或者Raspberry Pi代替传统单片机，弥补了传统检测系统装备复杂、数据收集不够准确、传送数据不及时等缺陷，是现代化实验室进行环境空气智能检测的新方向。

5. 研究计划与进展

1 研究计划

2019.1-2019.2

（1）了解课题相关知识、查阅相关参考文献、进行数据调查、确定检测指标。