CN108627548A - 动物实验室的环境监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了动物实验室的环境监测***及方法，该***包括上位机检测终端、下位机检测装置、路由器。下位机检测装置设置于动物实验室中，上位机检测终端设置在远程，上位机检测终端和下位机检测装置通过路由器相连接。上位机检测终端包括检测室终端、数据库、外部设备，下位机检测装置包括传感模组、主控模块、通信模块。传感模组收集多组传感器数据并传输至主控模块，主控模块将多组传感器数据整合生成控制信号，通过通信模块与路由器数据交换，路由器将控制信号传输至检测室终端。本发明的动物实验室的环境监测***及方法能够应用于实验室消毒情况下的实验室氨气浓度的测量。

Description

动物实验室的环境监测***及方法

技术领域

本发明涉及一种实验室环境监测***及方法，更具体地说，涉及一种动物实验室的环境监测***及方法。

背景技术

实验动物在人工环境中生长、繁殖和接受试验处理，特定场所及其周围空间为实验动物环境，生物医学研究中，要得到准确、可靠试验数据，要避免环境因素对动物的生理生化活动不利影响，创造一个良好的试验动物环境，各项监测指标对动物生活环境起到至关重要的作用。尤为重要的就是空气洁净度和颗粒物污染；空气洁净度指标针对动物饲养室内部空气漂浮颗粒物(微生物较多附着在颗粒物上)与有害气体，主要来源是动物***物发酵分解。其中分解物包括氨、甲基硫醇。硫化氢、苯乙烯、乙醛等。动物饲养环境温度上升、饲养密度增加、通风条件不良、***物和垫料未及时处理都会导致氨浓度急剧上升。而氨作为刺激性物质浓度升高时会刺激动物眼结膜。鼻腔粘膜和呼吸道粘膜引起流泪、咳嗽。严重者产生急性肺水肿引起动物死亡。长期处于高浓度氨环境下动物上呼吸道出现慢性炎症，严重影响动物健康。颗粒物指标随颗粒物大小而不同，颗粒物主要来源有两种途径：室外空气经过滤处理不当直接带入及动物皮毛、皮屑、饲料和垫料等往往被气流携带或动物扬起在空气中漂浮。对于动物来说，与人类相似，对其影响较大的是直径小于5μm以下的粉尘，这类粉尘在空气中漂浮时间久，经呼吸道吸入到达细支气管与肺泡从而引起呼吸道疾病；颗粒物除本身对动物产生不良影响外，其作为微生物载体对动物健康造成影响更大。

实验动物设施是连续运行的，各种环境因素一直处在变动之中，也需要经常性的监测和维护。同时实验动物所处实验房中各项环境指标要求非常严格，各种测量装置及人员在进入之前都需要进行消毒处理，传统氨气测量设备无法直接面对目前的消毒需求。

根据中国医学科学院医学实验动物研究所、北京实验动物研究中心等机构的实验动物研究中发现：我国实验动物的种类多为鼠(大鼠、小鼠、地鼠、豚鼠、免疫缺陷鼠、疾病模型鼠等)、兔、鸡、犬、猪、猪(小型猪等)、树鼩、猴(猕猴等)等，此类实验动物都具有繁殖能力强、体型较小的特点。同时实验动物设施是连续运行的，各种环境因素一直处在变动之中，也需要经常性的监测和维护。对试验动物环境及设施条件,国家有标准化的规定，根据GB14925-2010《实验动物环境及设施》规定，检测项目包括温度、相对湿度、空气洁净度、氨浓度、噪声、照度和换气量等。因此其实验环境必须针对不同动物设有不同标准，从而最大限度降低实验动物本身对实验的影响。

现有的测定空气中氨的化学方法有次氯酸钠—水杨酸分光光度法、纳氏试剂分光光度法、靛酚蓝试剂比色法等。这些化学方法测量具有响应时间短、测量灵敏等优点，但是缺点也相当明显，测量方法及操作步骤繁杂，需要借助专业的实验室器皿，同时也只能进行单点测量，对于测量检测***来说不可取。

传统的电化学传感器被一层电解质薄膜分开，并由一个低阻抗的外部电路连通。扩散进入传感器的气体在感应电极表面发生氧化或还原反应，在两电极间产生一个内部电流，电流值对应于氧气浓度。然而当被测气体浓度持续增加时，感应电极电动势将超过允许范围，传感器输出将变成非线性的，因而限制了气体的测量浓度。

发明内容

针对现有技术中存在的氨测量方法不能适用于实验室检测的问题，本发明的目的是提供一种动物实验室的环境监测***及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种动物实验室的环境监测***，包括上位机检测终端、下位机检测装置、路由器。下位机检测装置设置于动物实验室中，上位机检测终端设置在远程，上位机检测终端和下位机检测装置通过路由器相连接。上位机检测终端包括检测室终端、数据库、外部设备，下位机检测装置包括传感模组、主控模块、通信模块。传感模组收集多组传感器数据并传输至主控模块，主控模块将多组传感器数据整合生成控制信号，通过通信模块与路由器数据交换，路由器将控制信号传输至检测室终端。

进一步地，传感模组包括氨气传感器、温度传感器、湿度传感器、颗粒物传感器。氨气传感器、温度传感器、颗粒物传感器和湿度传感器分别连接至主控模块，氨气传感器包括感应电极、负电极和参考电极，参考电极连接外部稳压电路以稳定感应电极的电动势。

进一步地，主控模块包括多个A/D接口、氨气传感器输出模拟信号，并通过主控模块配置为8位或12位数字格式。

进一步地，氨气传感器的气敏材料为二氧化锡。

进一步地，氨气传感器包括4个引脚，其信号从2、4引脚传出，4号引脚信号直接输出模拟电压信号，2号引脚信号则通过放大器放大并由可调节电阻分压后输出数字电压信号。

为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：

一种动物实验室的环境监测方法，包括上位机检测终端和下位机检测装置，上位机检测终端执行以下步骤：启动组网操作；接收下位机检测装置的数据包；数据包协议转换；数据进行折线化显示；数据存储；判断是否接收到结束信号？若否，继续接收下位机检测装置的数据包；若是，则结束。

为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：

下位机检测装置执行以下步骤：放入气体；触发氨气采集事件；稳定氨气传感器参考电极的电压，以及感应电极的电动势；接收氨气传感器、温度传感器以及湿度传感器的信号；根据温度传感器和湿度传感器的信号矫正氨气浓度数据。

为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：

一种动物实验室的环境监测方法，包括上位机检测终端和下位机检测装置，其特征在于：上位机检测终端执行以下步骤：启动组网操作；接收下位机检测装置的数据包；数据包协议转换；数据进行折线化显示；数据存储；判断是否接收到结束信号？若否，继续接收下位机检测装置的数据包；若是，则结束。同时，下位机检测装置执行以下步骤：放入气体；触发氨气采集事件；稳定氨气传感器参考电极的电压，以及感应电极的电动势；接收氨气传感器、温度传感器以及湿度传感器的信号；根据温度传感器和湿度传感器的信号矫正氨气浓度数据。

进一步地，上位机检测终端判断氨气浓度、温度、湿度，判断氨气综合浓度是否超过预设警戒值。

在上述技术方案中，本发明的动物实验室的环境监测***及方法能够应用于实验室消毒情况下的实验室氨气浓度的测量。

附图说明

图1是本发明环境监测***的结构示意图；

图2是氨气传感器及其***电路的电路图；

图3是上位机检测终端执行的方法流程图；

图4是下位机检测装置执行的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，本发明首先公开一种动物实验室的便携式环境监测***，其主要包括上位机检测终端、下位机检测装置和路由器6。下位机检测装置设置于动物实验室中，上位机检测终端设置在远程，上位机检测终端和下位机检测装置通过路由器6相连接。本发明的***包括一个上位机检测终端和多个下位机检测装置，可以在每一个实验室中设置一个下位机检测装置，各个下位机检测装置通过路由器6分别连接到上位机检测终端中。

继续参照图1，上位机检测终端包括检测室终端11、数据库9、外部设备10，下位机检测装置包括传感模组、主控模块、通信模块。传感模组收集多组传感器数据并传输至主控模块，主控模块将多组传感器数据整合生成控制信号，通过通信模块与路由器数据交换，路由器将控制信号传输至检测室终端。

上位机检测终端是监控中心，通过路由器6接收到各个实验房节点测量的数据，包括氨气浓度，温湿度，气流量、光照度以及co2浓度等，通过数据处理使其折线图显示在终端上，同时判断氨气综合浓度的数据值是否超过设定警戒线，并相应作出报警处理。

在本发明中，氨气综合浓度为氨气在特定温度、湿度、颗粒物浓度的条件下的浓度值，其参考了动物实验室环境下的特定情形，并非简单地利用氨气实测数据。

如图1所示，下位机检测装置包括主控模块1、氨气传感器3、温度传感器4、湿度传感器5、颗粒物传感器2、无线通信模块8。上述模块集成于一壳体中，壳体尺寸为263*184*95mm，采用塑料防水材质，同时具有较强耐腐蚀性，也避免了金属壳体的信号屏蔽，保证了信号的正常传递。出气阀采用塑料电缆防水接头，防水等级可达到IP67。

继续如图1所示，氨气传感器3、温度传感器4、湿度传感器5和颗粒物传感器2均连接主控模块1，氨气传感器3包括感应电极、负电极和参考电极，参考电极连接外部稳压电路以稳定感应电极的电动势。温度传感器4和湿度传感器5的信号用以矫正氨气浓度数据。显示模块7为LCD模块，其连接至监测室终端11，监测室终端11将氨气浓度数据传输至显示模块7。无线通信模块8以供装置远程获取数据，由于本便携装置可携带性强，流动性大，则传输距离可能很大，同时传输数据较小，因此选择了GPRS传输方式，同时鉴于不同的运用场所可以添加不同的无线通信模块8，例如WIFI模块通过路由器传输、蓝牙模块等等。

作为一个便携式设备，主控模块1设置于一壳体中，颗粒物传感器2、氨气传感器3、温度传感器4和湿度传感器5设置于壳体的同一方向的侧面。由于本发明的装置针对动物实验室进行测量，其对象是动物的***物释放的带有氨气的混合气体，而这样的混合气体量少、分布不均匀、具有指向性和区域性。因此，本发明这样做的优点在于，颗粒物传感器2、温度传感器4和湿度传感器5和氨气传感器3充分接近，在矫正氨气传感器3的度数方面更为有利。

在本发明中，主控制模块以STM32F103微控制器为核心，使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。器件包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。保证了对于氨气传感器3信号的高效转换，同时也为后期模块的添加和移植提供了可能性。STM32的DAC模块(数字/模拟转换模块)是12位数字输入，电压输出型的DAC。氨气传感器3模块的输出就是电压模拟信号，其连接到STM32F103任意A/D引脚后，配置8位或12位模式，同时输入参考电压VREF+便获得更精确的转换结果，即转换成相应的数字信号。在获得氨气传感器3模块输出位电压后再利用其电压、氨气浓度曲线关系获得函数，经过换算处理即可得到相应氨气浓度数据，从而完成氨气浓度测量工作。

除了STM32F103主控制模块外，其余模块都是添加到主控模块1上，由主控模块1控制颗粒物传感器2、氨气传感器3及温湿度传感器数据信号的获取，之后经过程序处理后转化成氨气浓度及温湿度数据，并使其显示在LCD屏幕上，同时进行数据的存储。

参照图2，图1中的氨气传感器3采用了三电极电化学的测量方式。三电极氨气传感器是在二电极传感器的基础上，通过接入外部稳压电路，并加入参考电极以稳定感应电极电动势。如此，即使负电极持续极化也不会对感应电极产生任何影响，所以三电极氨气传感器具有更广的测量范围。

如图2所示，氨气传感器(MQ传感器)通电后电源指示等通电亮起，其气敏材料是清洁空气中电导率较低的二氧化锡，当传感器所处环境存在氨气时，传感器电导率随着空气中浓度增加而增加，信号从MQ传感器2、4引脚传出，4号引脚信号直接输出模拟电压信号(AOUT)，2号引脚信号则通过放大器LM393AD放大并由可调节电阻分压后输出，即数字电压信号(DOUT)。其中可调节电阻作用用于传感器模块的调节和调零，当处于无氨气环境中调节旋钮使报警指示灯处于亮与不亮边缘；当存在氨气环境测量时由于电压升高则指示灯亮起。

在本发明中，电化学氨气传感器ME3-NH3根据电化学的原理工作，利用待测气体在电解池中工作电极上的电化学氧化过程，通过电子线路将电解池的工作电极和参比电极恒定在一个适当的电位，在该电位下可以发生待测气体的电化学氧化，由于氧在氧化和还原反应时所产生的法拉第电流很小，可以忽略不计，于是待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律。这样，通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。

参照图3和图4，本发明还公开一种针对上述装置的检测方法，其包括上位机检测终端执行的步骤和下位机检测装置执行的步骤

如图3所示，上位机检测终端执行以下的主要步骤：

S11：启动组网操作。

S12：是否建立WLAN网络连接？若否，返回S11，若是则继续后续步骤。

S13：判断是否接收到下位机检测装置数据包？若是则继续后续步骤，若否则等待数据包。

S14：完成数据包协议转换。

S15：数据进行折线化显示。

S16：数据存储。

S17：判断是否接收到结束信号？若否，继续接收下位机检测装置的数据包；若是，则结束。

如图4所示，下位机检测装置执行以下的主要步骤：

S1：***开始后先进行初始化检测，确定传感器模块及其他模块正常后便开始测量准备。

S2：启动检测操作。

S3：判断是否加入了无线网络模块？若是，继续后续步骤，若否，返回S2。

S4：待气体抽气完成后按照实验室要求进行消毒处理(喷雾或浸泡式消毒)。

S5：消毒完全后放进待测实验房，即放入实验室待测气体，由于外界气压大于装置内气压，则装置内部会被气体充满。

S6：此时，判断是否触发氨气传感器测量事件？若是，则进入S8，若否，则进入S7。

S7：等待触发氨气传感器测量事件，并返回S6。

S8：经测量电路测得数据并经过函数程序转化成氨气浓度，如果测量气体超过设定动物实验房氨气标准则进行声光报警

S9：LCD显示氨气浓度数据，无线传感装置(即GPRS模块)则将数据不断传送至客户端，测得数据后不断循环测量直至关闭测量。

测量结束后，将装置内部气体抽出，以避免刺激气体对内部传感器的影响，同时降低前次测量气体对下次测量的影响。至此测量结束。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种动物实验室的环境监测***，其特征在于，包括：

上位机检测终端、下位机检测装置、路由器；

所述下位机检测装置设置于动物实验室中，所述上位机检测终端设置在远程，所述上位机检测终端和下位机检测装置通过路由器相连接；

所述上位机检测终端包括检测室终端、数据库、外部设备；

所述下位机检测装置包括传感模组、主控模块、通信模块；

所述传感模组收集多组传感器数据并传输至主控模块，所述主控模块将多组传感器数据整合生成控制信号，通过通信模块与路由器数据交换，所述路由器将控制信号传输至所述检测室终端。

2.如权利要求1所述的动物实验室的环境监测***，其特征在于，所述传感模组包括：

氨气传感器、温度传感器、湿度传感器、颗粒物传感器；

所述氨气传感器、温度传感器、颗粒物传感器和湿度传感器分别连接至所述主控模块；

所述氨气传感器包括感应电极、负电极和参考电极，所述参考电极连接外部稳压电路以稳定感应电极的电动势。

3.如权利要求2所述的动物实验室的环境监测***，其特征在于，所述主控模块包括多个A/D接口、所述氨气传感器输出模拟信号，并通过主控模块配置为8位或12位数字格式。

4.如权利要求1所述的动物实验室的环境监测***，其特征在于，所述氨气传感器的气敏材料为二氧化锡。

5.如权利要求1所述的动物实验室的环境监测***，其特征在于，所述氨气传感器包括4个引脚，其信号从2、4引脚传出，4号引脚信号直接输出模拟电压信号，2号引脚信号则通过放大器放大并由可调节电阻分压后输出数字电压信号。

6.一种动物实验室的环境监测方法，包括上位机检测终端和下位机检测装置，其特征在于，所述上位机检测终端执行以下步骤：

启动组网操作；

接收下位机检测装置的数据包；

数据包协议转换；

数据进行折线化显示；

数据存储；

判断是否接收到结束信号？若否，继续接收下位机检测装置的数据包；若是，则结束。

7.一种动物实验室的环境监测方法，包括上位机检测终端和下位机检测装置，其特征在于，所述下位机检测装置执行以下步骤：

放入气体；

触发氨气采集事件；

稳定氨气传感器参考电极的电压，以及感应电极的电动势；

接收氨气传感器、温度传感器以及湿度传感器的信号；

根据温度传感器和湿度传感器的信号矫正氨气浓度数据。

8.一种动物实验室的环境监测方法，包括上位机检测终端和下位机检测装置，其特征在于：

上位机检测终端执行以下步骤：

启动组网操作；

接收下位机检测装置的数据包；

数据包协议转换；

数据进行折线化显示；

数据存储；

判断是否接收到结束信号？若否，继续接收下位机检测装置的数据包；若是，则结束；

同时，下位机检测装置执行以下步骤：

放入气体；

触发氨气采集事件；

稳定氨气传感器参考电极的电压，以及感应电极的电动势；

接收氨气传感器、温度传感器以及湿度传感器的信号；

根据温度传感器和湿度传感器的信号矫正氨气浓度数据。

9.如权利要求8所述的动物实验室的环境监测方法，其特征在于，所述上位机检测终端判断氨气浓度、温度、湿度，判断氨气综合浓度是否超过预设警戒值。