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(guó)建筑科學(xué)研究院的專(zhuān)家表示，室內(nèi)空氣質(zhì)量經(jīng)常被人忽視，其實(shí)很多時(shí)候室內(nèi)甲醛、揮發(fā)性氣體等污染物的種類(lèi)和濃度都遠(yuǎn)超戶(hù)外，其危害不亞于霧霾。
大多數(shù)人每天超過(guò)80%的時(shí)間是在各類(lèi)建筑物內(nèi)度過(guò)的，室內(nèi)環(huán)境對(duì)于人們的健康至關(guān)重要�？墒钦�(qǐng)環(huán)境公司做一次檢測(cè)，耗時(shí)長(zhǎng)，花費(fèi)大。有沒(méi)有一種簡(jiǎn)便易用的裝置，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)室內(nèi)不同地點(diǎn)的空氣質(zhì)量，指導(dǎo)人們開(kāi)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(kāi)發(fā)出了一套“室內(nèi)空氣污染可視化檢測(cè)系統(tǒng)”，讓空氣質(zhì)量檢測(cè)變得輕松簡(jiǎn)便。目前，他們的這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。
創(chuàng)意
像測(cè)戶(hù)外空氣一樣測(cè)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(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)。他是定向生，平時(shí)學(xué)習(xí)任務(wù)較重，但這并不妨礙他抽出時(shí)間參加一些科研項(xiàng)目。
2012年上半年，正讀大二的劉天一加入了一個(gè)關(guān)于重大設(shè)備“故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)”的研究項(xiàng)目，“一些精密裝備在運(yùn)輸過(guò)程中，需要對(duì)它儲(chǔ)存空間的溫度、濕度進(jìn)行不間斷精密監(jiān)測(cè)�！卑肽陮�(shí)驗(yàn)室“泡”下來(lái)，劉天一印象最深的收獲是三個(gè)空氣檢測(cè)特點(diǎn)：數(shù)據(jù)可測(cè)、設(shè)備能耗低、數(shù)據(jù)可無(wú)線傳輸。
也是在這一年，霧霾不斷席卷華北、長(zhǎng)三角地區(qū)，空氣質(zhì)量成為北京乃至全國(guó)民眾關(guān)注的焦點(diǎn)。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(shí)分去紫荊學(xué)生公寓前的操場(chǎng)跑幾圈，但灰蒙蒙的天讓他嗓子不舒服。劉天一說(shuō)：“北京已經(jīng)有空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(gè)檢測(cè)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(cè)公司開(kāi)展了室內(nèi)空氣檢測(cè)業(yè)務(wù)，但收費(fèi)不菲，并且需要預(yù)約、耗時(shí)較長(zhǎng)，檢測(cè)也只能一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行，“我要做一個(gè)能夠同時(shí)反映家里任意一個(gè)地方空氣質(zhì)量的系統(tǒng)，不是‘點(diǎn)’，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(cè)、低能耗、可傳輸。而這，恰恰是他不久前的收獲。
研發(fā)
歷時(shí)半年自主設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸設(shè)備
決心一下，行動(dòng)便迅速開(kāi)始了。2012年的下半年，升入大三的劉天一迫切需要“招兵買(mǎi)馬”。他從清華大學(xué)鼓勵(lì)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(zhuān)業(yè)的李靈和機(jī)械專(zhuān)業(yè)的蔡棟。又在自己班里找到了兩個(gè)“同伙”：程文雪和周丹。五人團(tuán)隊(duì)正式組建。他們還從學(xué)校拿到了5000元的經(jīng)費(fèi)支持。
這五人團(tuán)隊(duì)完全不符合清華工科專(zhuān)業(yè)男多女少的特點(diǎn)——只有劉天一和蔡棟是男生。時(shí)不我待，兩天的討論過(guò)后，五人分工確定：劉天一負(fù)責(zé)硬件、電路和檢測(cè)；蔡棟負(fù)責(zé)芯片和編程；李靈負(fù)責(zé)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；周丹負(fù)責(zé)關(guān)系到無(wú)線電傳輸?shù)纳漕l技術(shù)；程文雪則負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)。
每個(gè)人的特長(zhǎng)都得到了最大程度的發(fā)揮。劉天一告訴記者，回顧整個(gè)研究，困難最大的一關(guān)便是攻克無(wú)線傳輸技術(shù)。他們知道市場(chǎng)上有現(xiàn)成的無(wú)線電傳輸模塊在銷(xiāo)售，但經(jīng)過(guò)再三考慮，還是決定自主研發(fā)，“一是因?yàn)槭袌?chǎng)上賣(mài)的無(wú)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(jià)過(guò)高；還有一個(gè)最重要的原因是，我們想做出自己的技術(shù)�！眲⑻煲徽f(shuō)。
重新開(kāi)發(fā)，談何容易？他們通宵設(shè)計(jì)、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(diǎn)信號(hào)，只能重新設(shè)計(jì)。這一個(gè)來(lái)回就是一個(gè)星期。第二次嘗試，依然不行，然后再來(lái)。到了第三次，無(wú)線傳輸終于“有了一張床板的距離”，這無(wú)疑是一個(gè)令人振奮的消息，他們又推倒再試了一次。第四次，信號(hào)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(shí)，距離他們啟動(dòng)這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)過(guò)去了半年。
接下來(lái)的研發(fā)就是水到渠成了，計(jì)算機(jī)軟件很快成型，傳感器的采購(gòu)、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(jiàn)到了這套室內(nèi)空氣檢測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化版。粗一看，它們就是一個(gè)個(gè)的小盒子，每個(gè)盒子如一副撲克牌大小，只不過(guò)盒子上都立著一根約10厘米長(zhǎng)的天線。劉天一說(shuō)，這套系統(tǒng)中，有4個(gè)盒子沒(méi)有安裝傳感器，它們承擔(dān)的是“定位基點(diǎn)”的作用，裝有空氣質(zhì)量傳感器的盒子從“定位基點(diǎn)”處接收信號(hào)，就可以通過(guò)三維立體確定自己的位置。
劉天一熟練地啟動(dòng)一個(gè)傳感器，同時(shí)打開(kāi)筆記本電腦上的一個(gè)軟件。大約3分鐘過(guò)后，軟件顯示出一張類(lèi)似熱成像效果的地圖，很快，地圖的一處顏色開(kāi)始由藍(lán)變黃，最后變成橙紅色，“說(shuō)明這個(gè)地方空氣污染物濃度高，顏色越紅，濃度越大�！眲⑻煲徽f(shuō)，具體的濃度數(shù)據(jù)可以通過(guò)軟件還原獲得。
劉天一說(shuō)，他們?cè)?jīng)找了一間大約50平方米的房間進(jìn)行測(cè)試，啟動(dòng)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(jì)算機(jī)上的軟件就接收到了這里甲醛濃度過(guò)高的數(shù)據(jù)信息，非常靈敏。
遺憾
未能將PM2.5納入檢測(cè)范圍
劉天一告訴記者，這套系統(tǒng)的硬件配置包括4個(gè)定位基點(diǎn)，一個(gè)網(wǎng)關(guān)，以及任意個(gè)數(shù)的傳感器檢測(cè)終端，“最多可以設(shè)置122個(gè)終端，覆蓋一套房子的任意角落沒(méi)問(wèn)題，隨時(shí)檢測(cè)，隨時(shí)反饋，這就是它和普通室內(nèi)空氣檢測(cè)手段的最大不同。”
他說(shuō)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，這套系統(tǒng)的氣體檢測(cè)精度可達(dá)百萬(wàn)分之六，位置檢測(cè)精度可達(dá)0.5米以?xún)?nèi)，完全符合家庭環(huán)境的檢測(cè)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(guò)12個(gè)小時(shí)。成本方面，劉天一說(shuō)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，4個(gè)定位基點(diǎn)、一個(gè)網(wǎng)關(guān)、3個(gè)檢測(cè)終端，成本也就500元左右，“一般家庭完全可以承受�！彼f(shuō)，開(kāi)啟這套系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)家里某個(gè)房間空氣污染嚴(yán)重，就可以開(kāi)窗通風(fēng)或者開(kāi)啟空氣凈化器，很有針對(duì)性。
記者了解到，目前這套系統(tǒng)的專(zhuān)利申請(qǐng)已經(jīng)處于實(shí)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(cè)甲醛、氨氣等多種室內(nèi)空氣污染物。但對(duì)于備受公眾關(guān)注的PM2.5、PM10等顆粒物，這套系統(tǒng)并沒(méi)有納入檢測(cè)范圍，“合適的傳感器不好找�！彼寡�。此外劉天一還說(shuō)，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(kāi)發(fā)匹配的手機(jī)客戶(hù)端軟件等，“這不能不說(shuō)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(zhuān)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�！彼f(shuō)，如果有時(shí)間，一定會(huì)把這套室內(nèi)空氣污染可視化檢測(cè)系統(tǒng)盡力完善。
本報(bào)記者 張航文并圖 J067