摘要：医院作为一种特殊的公共场所，由于人流量大，空气中的微生物、颗粒物、甲醛、苯、二甲苯等浓度高于其他环境，其空气中的质量的好坏对医护人员、病人及其家属的健康有极大的影响。目前大多数医院缺少空气质量监测，只在特定区域请专业的检测公司采用人工采样、实验室分析的检测方法。虽然这种方式检测结果准备，但只能反映取样点当前的空气质量，无法反映出医院不同地点的空气质量在不同的时间所呈现的变化趋势，对主要污染物的产生和扩散不能做出连续的判断，从而影响到医院环境管理水平的提高。本文将无线传感器网络应用于医院空气质量监测，建立无线空气质量监测系统，实时监测医院室内外空气质量数据，并根据收集到的数据进行分析，根据其变化趋势提前预警，采用相应措施将空气质量控制在标准范围内。
关键词：医院、空气质量、无线传感器网络、监测系统
0 引言
随着社会经济的发展，人们对医疗业务的需求越来越高，大型医院特别是三甲医院的患者数量越来越多，每天的人流量越来越大，医院内发生交叉感染的风险也越来越大[1]。同时，医院某些科室由于工作需要用到各种试剂，这些试剂容易挥发，使空气中有毒气体的浓度超标，如病理科、检验科、静脉配置中心等科室的空气中甲醛、苯、二甲苯的浓度高于其他区域。这将对就诊患者及医院工作人员的身体健康造成损害[2]。很多医院考虑到患者安全，将较高楼层的窗户进行限位，导致建筑内自然通风量较少，主要采用中央空调系统集中送风。如空气中的颗粒物超标、温湿度控制不当，将滋生各种病菌，造成交叉感染的风险，给医院感染控制带来困难[3]。针对以上问题，本文设计一种基于无线传感器网络的医院空气质量监测系统，重点对温湿度、PM2.5、甲醛浓度进行监测，对于特殊科室根据实际情况增加相应的传感器，如在病理科同时进行二甲苯浓度监测，在供应消毒中心同时增加臭氧浓度监测。
1 工作原理
为便于安装、提高系统的扩展性，医院空气质量监测系统采用无线传感器网络进行组网。监测系统结构包括：客户端、服务器端、无线传感器网络。其中无线传感器网络由汇聚节点、中间节点和传感器节点组成[4，5]。系统结构图如图1所示。
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图1 空气质量监测系统结构
（1）传感器节点根据监测的空气质量参数包括温湿度传感器、PM2.5传感器、甲醛传感器、二甲苯传感器、臭氧传感器等。传感器节点与中间节点之间的通信采用WiFi通信方式。
（2）中间节点接收传感器节点发送的数据，并将数据传送给汇聚节点。
（3）汇聚节点接收从中间节点发送的数据，进行简单的处理，并将处理后的数据发送给服务器。
（4）所有接收到的数据在服务器进行处理、分析，并将监测结果显示在指定区域的显示器上。同时，具备权限的相关人员可通过手机终端对服务器进行访问，远程查看监测数据。系统预设各空气质量参数限值，当某一参数超出预设的参数，系统将自动推送到相关人员的手机终端，提前预警。
2 系统设计
2.1 传感器节点的设计
传感器节点包括数据采集模块、无线通信模块、处理器模块和电源模块。数据采集模块负责数据采集和转换，把采集到的模拟信号转换成数字信号，如通过测量物理效应来获取温湿度、PM2.5、甲醛、二甲苯、臭氧浓度等信息[6]。无线通信模块负责节点之间的通信，把节点采集到的数据通过WiFi模块发送给中间节点。处理器模块通常采用嵌入式处理器，包括处理器和存储器，作为传感器节点的控制中心，保证节点按用户的指令正常工作、对采集到的数据和从其他节点接收到的数据进行存储和处理，本文所采用的处理器为STM32F103RBT6。电源模块负责为传感器节点的各个模块提供能量。图2和图3分别为传感器节点的结构图和实物图。
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图2 传感器节点硬件结构图 图3 传感器节点实物图
2.2 系统通信设计
由于本系统用于医院范围内，数据传输的距离较短，节点间通信采用WiFi模块能满足通信需求。WiFi模块具有两种工作模式：AP模式和STA模式，两种模式可按需要进行转换。当传感器节点工作在STA模式、中间节点工作在AP模式时，中间节点可接收传感器节点发送的数据。同理，当中间节点工作在STA模式，汇聚节点工作在AP模式，汇聚节点可接收中间节点发送的数据。汇聚节点与服务器之间通过串口连接。
2.3 监测系统软件设计
监测系统软件设计主要包括网络通信和数据处理设计。从实用性出发，本系统软件设计采用Socket通信协议和SQL数据库设计[7]。系统可设置空气质量参数采集频率，按照设定的频率自动进行数据上传，管理人员可通过手机终端或显示终端对数据库进行查询。所有数据存储在数据库中，对每一个监测点空气质量参数绘制曲线图，可方便的看出监测点的空气质量变化趋势。软件还具有预警功能，根据设定的空气质量参数极限值和变化趋势进行报警，提醒管理人员进行相应处理。
3 系统测试
实验测试点在某三甲医院医技楼内，在病理科和检验科分别设置3个传感器节点，传感器节点的放置在科室原有的检测仪表旁边，监测的空气质量参数为温湿度、PM2.5、甲醛、二甲苯浓度，最终将客户端显示的数据与科室原有的检测仪表数据进行对比。结果显示由于检测的方式不同，数据略有差异，但基本符合监测要求。
4 结语
本文设计一种基于无线传感器网络的医院空气质量监测系统，可用于监测医院室内外空气质量参数，如温湿度、PM2.5、甲醛、二甲苯、臭氧浓度等，有利于医院管理人员对整个医院空气质量的监测，能提前对空气质量较差的地方进行处理，并且在合适的位置显示空气质量参数能缓解就诊患者和医院工作人员心理压力。本系统可进一步完善，下一步将进行控制系统的设计，完成系统对预警参数自动调节功能的设计。
参考文献：
[1]李屹，张彦国，党宇等.医院室内空气质量调研分析[J].建筑技术开发，2016，43（6）：6⁃9.
[2]郑聃.医院室内PM2.5的污染特点和影响因素研究[J].环境卫生学杂志，2014，4（5）：504⁃507.
[3]唐小兰.空气微生物污染的危害与防护技术发展[J].中国消毒学杂志，2015，32（12）：1238⁃1240.
[4]朱仁烽.基于人工蜂群算法的无线传感器网络分簇路由协议研究[D].浙江工业大学硕士学位论文，2014.
[5]周晓，朱仁烽，赵峰等.基于人工蜂群算法的无线传感器网络路由协议[J].浙江工业大学学报，2014，42（5）：577-585.
[6]张高敏，王飞飞、周志清.基于WiFi的空气质量实时监测系统设计[J].现代电子技术，2016，39（8）：76-79.
[7]闫涛.基于物联网的空气质量监测系统设计与应用技术研究[D].山东大学硕士学位论文，2016.
论文作者:朱仁烽
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/16
标签：节点论文; 空气质量论文; 传感器论文; 医院论文; 数据论文; 监测系统论文; 浓度论文; 《基层建设》2019年第27期论文;