夏日的北京，或是藍(lán)天烈日，或是暴雨傾盆。霧霾的遠(yuǎn)離，讓人們仿佛忘記了還有空氣污染這回事兒。中國建筑科學(xué)研究院的專家表示，室內(nèi)空氣質(zhì)量經(jīng)常被人忽視，其實很多時候室內(nèi)甲醛、揮發(fā)性氣體等污染物的種類和濃度都遠(yuǎn)超戶外，其危害不亞于霧霾。
大多數(shù)人每天超過80%的時間是在各類建筑物內(nèi)度過的，室內(nèi)環(huán)境對于人們的健康至關(guān)重要。可是請環(huán)境公司做一次檢測，耗時長，花費大。有沒有一種簡便易用的裝置，能夠?qū)崟r檢測室內(nèi)不同地點的空氣質(zhì)量，指導(dǎo)人們開窗通風(fēng)、凈化空氣呢？清華大學(xué)的大四學(xué)生劉天一和同學(xué)開發(fā)出了一套“室內(nèi)空氣污染可視化檢測系統(tǒng)”，讓空氣質(zhì)量檢測變得輕松簡便。目前，他們的這項技術(shù)已經(jīng)申請了國家發(fā)明專利。
創(chuàng)意
像測戶外空氣一樣測室內(nèi)空氣
2010年，劉天一從黑龍江哈爾濱考入清華大學(xué)，就讀于精密儀器系測控技術(shù)與儀器專業(yè)。他是定向生，平時學(xué)習(xí)任務(wù)較重，但這并不妨礙他抽出時間參加一些科研項目。
2012年上半年，正讀大二的劉天一加入了一個關(guān)于重大設(shè)備“故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)”的研究項目，“一些精密裝備在運輸過程中，需要對它儲存空間的溫度、濕度進(jìn)行不間斷精密監(jiān)測。”半年實驗室“泡”下來，劉天一印象最深的收獲是三個空氣檢測特點：數(shù)據(jù)可測、設(shè)備能耗低、數(shù)據(jù)可無線傳輸。
也是在這一年，霧霾不斷席卷華北、長三角地區(qū)，空氣質(zhì)量成為北京乃至全國民眾關(guān)注的焦點。在清華校園里的劉天一也感受到了這一變化，他喜歡在傍晚時分去紫荊學(xué)生公寓前的操場跑幾圈，但灰蒙蒙的天讓他嗓子不舒服。劉天一說：“北京已經(jīng)有空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，我就想，室外空氣差，室內(nèi)空氣很有可能也已經(jīng)污染，能不能做一個檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量的系統(tǒng)裝置呢？”
他上網(wǎng)檢索發(fā)現(xiàn)，一些環(huán)境檢測公司開展了室內(nèi)空氣檢測業(yè)務(wù)，但收費不菲，并且需要預(yù)約、耗時較長，檢測也只能一個點一個點進(jìn)行，“我要做一個能夠同時反映家里任意一個地方空氣質(zhì)量的系統(tǒng)，不是‘點’，而是‘面’。”劉天一暗下決心。這樣一套系統(tǒng)，最關(guān)鍵的指標(biāo)就是：數(shù)據(jù)可測、低能耗、可傳輸。而這，恰恰是他不久前的收獲。
研發(fā)
歷時半年自主設(shè)計無線傳輸設(shè)備
決心一下，行動便迅速開始了。2012年的下半年，升入大三的劉天一迫切需要“招兵買馬”。他從清華大學(xué)鼓勵科技創(chuàng)新的“星火班”里找到了兩名志同道合的同學(xué)：精密儀器專業(yè)的李靈和機械專業(yè)的蔡棟。又在自己班里找到了兩個“同伙”：程文雪和周丹。五人團(tuán)隊正式組建。他們還從學(xué)校拿到了5000元的經(jīng)費支持。
這五人團(tuán)隊完全不符合清華工科專業(yè)男多女少的特點——只有劉天一和蔡棟是男生。時不我待，兩天的討論過后，五人分工確定：劉天一負(fù)責(zé)硬件、電路和檢測；蔡棟負(fù)責(zé)芯片和編程；李靈負(fù)責(zé)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；周丹負(fù)責(zé)關(guān)系到無線電傳輸?shù)纳漕l技術(shù)；程文雪則負(fù)責(zé)計算機軟件和數(shù)據(jù)庫。
每個人的特長都得到了最大程度的發(fā)揮。劉天一告訴記者，回顧整個研究，困難最大的一關(guān)便是攻克無線傳輸技術(shù)。他們知道市場上有現(xiàn)成的無線電傳輸模塊在銷售，但經(jīng)過再三考慮，還是決定自主研發(fā)，“一是因為市場上賣的無線模塊體積太大，不符合我們輕量化的設(shè)備定位；二是它們的定價過高；還有一個最重要的原因是，我們想做出自己的技術(shù)。”劉天一說。
重新開發(fā)，談何容易？他們通宵設(shè)計、焊接后的調(diào)制電路，安上發(fā)射天線后卻死活傳不出一點信號，只能重新設(shè)計。這一個來回就是一個星期。第二次嘗試，依然不行，然后再來。到了第三次，無線傳輸終于“有了一張床板的距離”，這無疑是一個令人振奮的消息，他們又推倒再試了一次。第四次，信號傳輸?shù)木嚯x穩(wěn)穩(wěn)地保持在了30米以上。他們成功了。這時，距離他們啟動這個項目已經(jīng)過去了半年。
接下來的研發(fā)就是水到渠成了，計算機軟件很快成型，傳感器的采購、安裝也非常順利。到2013年初，整套系統(tǒng)終于研發(fā)成功。
效果
50平方米房間3秒顯示污染信息
近日，在清華大學(xué)紫荊學(xué)生公寓，記者見到了這套室內(nèi)空氣檢測系統(tǒng)的簡化版。粗一看，它們就是一個個的小盒子，每個盒子如一副撲克牌大小，只不過盒子上都立著一根約10厘米長的天線。劉天一說，這套系統(tǒng)中，有4個盒子沒有安裝傳感器，它們承擔(dān)的是“定位基點”的作用，裝有空氣質(zhì)量傳感器的盒子從“定位基點”處接收信號，就可以通過三維立體確定自己的位置。
劉天一熟練地啟動一個傳感器，同時打開筆記本電腦上的一個軟件。大約3分鐘過后，軟件顯示出一張類似熱成像效果的地圖，很快，地圖的一處顏色開始由藍(lán)變黃，最后變成橙紅色，“說明這個地方空氣污染物濃度高，顏色越紅，濃度越大。”劉天一說，具體的濃度數(shù)據(jù)可以通過軟件還原獲得。
劉天一說，他們曾經(jīng)找了一間大約50平方米的房間進(jìn)行測試，啟動傳感器之后，將傳感器盒子置于一片被刻意灑上了少許甲醛的地方。結(jié)果三秒鐘后，計算機上的軟件就接收到了這里甲醛濃度過高的數(shù)據(jù)信息，非常靈敏。
遺憾
未能將PM2.5納入檢測范圍
劉天一告訴記者，這套系統(tǒng)的硬件配置包括4個定位基點，一個網(wǎng)關(guān)，以及任意個數(shù)的傳感器檢測終端，“最多可以設(shè)置122個終端，覆蓋一套房子的任意角落沒問題，隨時檢測，隨時反饋，這就是它和普通室內(nèi)空氣檢測手段的最大不同。”
他說，經(jīng)過測試，這套系統(tǒng)的氣體檢測精度可達(dá)百萬分之六，位置檢測精度可達(dá)0.5米以內(nèi)，完全符合家庭環(huán)境的檢測需要。耗電方面，這套系統(tǒng)也非常節(jié)能，充電一次可工作超過12個小時。成本方面，劉天一說，如果能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，4個定位基點、一個網(wǎng)關(guān)、3個檢測終端，成本也就500元左右，“一般家庭完全可以承受。”他說，開啟這套系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)家里某個房間空氣污染嚴(yán)重，就可以開窗通風(fēng)或者開啟空氣凈化器，很有針對性。
記者了解到，目前這套系統(tǒng)的專利申請已經(jīng)處于實質(zhì)審查階段。劉天一告訴記者，他們的這套系統(tǒng)能夠檢測甲醛、氨氣等多種室內(nèi)空氣污染物。但對于備受公眾關(guān)注的PM2.5、PM10等顆粒物，這套系統(tǒng)并沒有納入檢測范圍，“合適的傳感器不好找。”他坦言。此外劉天一還說，這套系統(tǒng)在使用人性化方面也還有需要進(jìn)一步完善的地方，比如開發(fā)匹配的手機客戶端軟件等，“這不能不說是一種遺憾吧。”
今年下半年，劉天一就將升入研究生階段，他選擇了碩博連讀，五年的艱苦努力，專業(yè)是“慣性技術(shù)”，“和我之前做的這套系統(tǒng)是完全不同的研究方向了。”他說，如果有時間，一定會把這套室內(nèi)空氣污染可視化檢測系統(tǒng)盡力完善。
本報記者 張航文并圖 J067