CN109283107B - 一种pm2.5个体暴露自动化监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种PM2.5个体暴露自动化监测装置及监测方法，该装置包括平台数据采集***和平台数据管理***；平台数据采集***包括：室内PM2.5监测仪器、可穿戴设备、可插卡式路由器及云平台；平台数据管理***包括：网页端和应用端，二者共同对云平台进行管理；该方法包括数据采集及数据处理两个步骤。本发明采用模型技术，通过使用个体暴露行为模式定位数据对室外固定站点与室内在线监测数据进行匹配与加权，来模拟个体暴露水平，解决个体暴露仪成本高、覆盖范围小、操作性不强的问题，为大规模开展人群暴露监测、获取个体暴露水平数据提供技术支持。

Description

一种PM2.5个体暴露自动化监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及一种PM2.5个体暴露自动化监测装置及监测方法，尤其涉及将颗粒物监测仪器数据传输模块和智能可穿戴腕表式设备实时定位与数据传输的PM2.5个体暴露科研集成的平台和检测方法，属于一种智能化空气污染个体暴露监测的技术领域。

背景技术

依据世界卫生组织发布的全球疾病负担评估报告，大气PM2.5污染已成为我国人群疾病负担归因的第四大危险因素，其造成的疾病负担对我国的人群健康形成极大的负面影响。而随着社会工业化发展加快，我国越来越多的地区大气污染事件频发，2013年1月我国全国范围内74个城市大气质量总体严重超标，PM2.5平均超标率为68.9％，污染的持续时间、覆盖范围和严重水平均突破我国大气污染的历史记录，导致大规模人群暴露于高水平大气污染当中，仅京津冀12个城市人群因大气污染物PM2.5暴露导致2725人过早死亡。而伴随大气污染趋于复合化，环境健康风险的严峻形势逐步加剧，大气污染影响的地区和人群范围将会持续上升，未来可能会有更广泛的人群暴露于大气污染当中，这就促使减缓人群对大气污染暴露水平、厘清大气污染健康效应、降低人群健康风险成为我国环境健康管理的迫切任务。

大气污染的暴露评估能够提供人群对大气污染物暴露水平的重要数据，是开展大气污染对人群健康影响研究的必需环节，也是厘清我国不同地区人群暴露水平与健康风险评估的关键基础。伴随大气污染影响的扩大化，未来在我国开展大规模大气污染流行病学、大气污染健康风险研究势在必行。而通过大规模人群大气污染暴露监测获取的个体暴露水平大数据则是保证研究准确性的关键基础。然而目前，我国的大气污染人群暴露监测尚不能满足大规模环境健康影响研究的要求。

第一，我国人群大气污染暴露数据主要依靠固定站点监测数据，但是，环境监测站点的浓度水平和实际活动过程的个体暴露水平存在一定的差异,因此直接利用环境监测站点的污染浓度数据进行个体暴露评估不够准确；

第二，虽然个体暴露水平的监测更接近真实暴露水平，是目前最准确的暴露评估方法，但是该方法成本较高、需要耗费大量人力、对调查对象依从性要求较高，实际工作中个体暴露数据较难获得，非常不利于大规模研究的开展。

第三，虽然目前已经出现了基于网络技术的监测技术，但是这些技术还没有形成体系且准确性仍待检验，所获取的暴露监测大数据尚未有效应用到环境健康影响科学研究中。由于暴露水平监测技术的限制，导致我国尚未形成实时、有效的大规模监测技术，个体暴露大数据欠缺，无法保证大气污染人群健康研究的科学性与准确性，且难以在未来开展大规模大气污染人群健康研究。

因此，非常有必要在我国开展面向大数据的个体暴露水平估算技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种PM2.5个体暴露自动化监测装置及监测方法，以弥补现有技术在缺少面向大数据的个体暴露水平估算模型等方面的缺陷，并突破了依靠个体暴露仪采集个体暴露数据的局限，开发获取个体暴露水平数据的新技术，对大气污染流行病学研究进行技术改进；本发明尝试采用模型技术，通过使用个体暴露行为模式定位数据对室外固定站点与室内在线监测数据进行匹配与加权，来模拟个体暴露水平，解决个体暴露仪成本高、覆盖范围小、操作性不强的问题，为大规模开展人群暴露监测、获取个体暴露水平数据提供技术支持。

本发明一种PM2.5个体暴露自动化监测装置，包括平台数据采集***和平台数据管理***。

平台数据采集***包括：室内PM2.5监测仪器、可穿戴设备、可插卡式路由器及云平台。室内PM2.5监测仪器及可穿戴式设备与可插卡式路由器连接通讯，通过移动网络将数据上传至云平台；室内PM2.5监测仪、可插卡式路由器、可穿戴设备与被监测个体绑定；

其中可穿戴设备可以为手机或腕表，需安装有数据监测应用端，用于可穿戴设备佩戴情况监测、实时定位以及是否在常驻区域内监测；

其中，可穿戴设备至少包括心率模块、GPS定位模块、Wi-Fi模块；

平台数据管理***包括：网页端和应用端，二者共同对云平台进行管理；具体如下：

网页端具体包括：

1)地图模块，用于查看项目中可穿戴设备、室内PM2.5监测仪、可插卡式路由器所处位置以及通过颜色来区分其在线/离线状态；

2)项目管理模块，用于项目的建设功能、数据的查阅与导出功能、告警以及解绑统计等，具体包括项目建设模块、数据匹配模块、数据导出、报告生成模块、告警模块、数据统计模块、解绑模块；

3)设备管理模块，用于可穿戴设备、室内PM2.5监测仪、可插卡式路由器三种设备的新增、删除、更改、查询以及可插卡式路由器与室内PM2.5监测仪的绑定功能；

4)个体管理模块，用于对被监测个体个人信息的新增、删除、更改、查询等功能。

应用端管理平台具体包括：

1)应用首页模块，主要显示项目中可穿戴设备、室内PM2.5监测仪、可插卡式路由器在线/离线情况，统计项目开展地区被监测个体人群的人均24H浓度值、室内/外平均浓度、室内/外平均监测时长信息；

2)项目管理模块，用于创建项目，分配个体，分配阶段，执行和开展项目；

3)设备管理模块；用于可穿戴设备、室内PM2.5监测仪、可插卡式路由器三种设备的新增、删除、更改、查询以及可插卡式路由器与室内监测仪的绑定功能；

4)个体管理模块用于对被监测个体个人信息的新增、删除、更改、查询功能。

本发明一种PM2.5个体暴露自动化监测方法，基于上述PM2.5个体暴露自动化监测装置能够通过网页版和应用版双端同步管理，在整个实施过程中主要有两方人员参与，即项目实施方和项目被监测方，项目实施方可以通过网页端+应用端共同对平台进行管理，被监测方通过监测设备将暴露值与定位信息上传给平台服务器；具体步骤如下：

S1、数据采集

数据采集主要包括可穿戴设备采集、室内PM2.5监测仪数据采集、室外站点PM2.5数据采集，通过采集这些数据，将数据传送到平台服务器，平台服务自动构建模型计算出更接近实际活动的个体暴露水平，具体采集如下：

S11、可穿戴设备采集

安装在可穿戴设备上的定制App后台可自动采集佩戴情况、定位数据，自动扫描周边是否有常驻场所Wi-Fi；

S12、室内PM2.5监测仪数据采集

项目实施方将插卡式路由和室内PM2.5监测仪放置在各被监测个体的常驻场所，开启并设置其网络，记录该Wi-Fi的独立MAC地址，以及被监测个体家或办公室的坐标；将室内PM2.5监测仪连接可插卡式路由，室内PM2.5监测仪自动将室内PM2.5值上传至监测仪厂家服务支持平台，PM2.5个体暴露科研集成平台后端服务程序会通过监测仪的设备编号和厂家提供的服务接口获取获取该场所监测仪的监测数据，并将数据传至平台数据库；

S13、室外站点PM2.5数据采集

室外环境监测站的空气质量指数实时数据来源于国家环境保护部服务接口，平台服务器会定时采集网站提供的实时数据，将数据存入平台服务器的数据库中；

S2、数据处理

数据处理主要包括定位数据矫正、室外PM2.5监测数据矫正、告警监测、设备解绑、个体PM2.5实际暴露数据生成；具体如下：

S21、定位数据矫正

针对被监测个体佩戴可穿戴设备所处环境存在无网络、网络信号差及GPS信号差造成的定位精度低、数据不准确的情况，被监测个体定位应用端会优先排除掉定位精度低的坐标点，并估算出被监测个体移动的平均速度，对超出120km/h的定位点进行矫正或排除，从而保留更加接近个体行动轨迹的定位数据；

S22、室外PM2.5监测数据矫正

将等于3的值保留处理，小于3的值则排除，使室内PM2.5监测数据更加接近真实环境数据，降低PM2.5数据误差；

S23、告警监测

平台根据被监测个体的监测情况自动生成告警，当监测设备出现未配置相关设备、配置信息错误、断网、关机等情况的时候，***会根据数据传输情况自动生成该设备的信息有误、离线等告警提示，用户可根据告警提示，找到为个体配置监测设备的环节中漏掉的或错误的操作，以及需要重启的设备等，及时作出相关处理；

S24、个体PM2.5实际暴露数据生成

平台服务器定时通过可穿戴设备的定位数据匹配出最近的室外PM2.5监测站；通过绑定的室内PM2.5监测仪获取到室内PM2.5的监测数据；通过绑定的可插卡式路由器的MAC地址与定位数据中附近Wi-Fi的MAC对比判断出所处位置属于家、办公室、常驻场所，从而构建个体PM2.5实际暴露数据模型。

S25、数据采集结束后，回收设备，一键解绑；

S26、个体暴露报告单

项目结束后，选择单一被监测个体，根据该个体在项目期间的监测数据，生成个体暴露报告单，该报告单具有实时暴露监测报告、综合暴露监测报告、温馨提示内容，且该报告支持在线查看，一键导出；

S27、数据传输支持

可穿戴移动设备定位信息使用SIM的3G/4G网络进行数据传输，配备给被监测个体的可插卡式路由器设备为室内Pm2.5监测仪提供网络支持。

本发明一种PM2.5个体暴露自动化监测装置及监测方法，较现有技术相比，其优点及功效在于：

1、本发明可无线实时通信，稳定性好，准确性高，回收方便，普及率高。具体如下：

1)可穿戴移动设备(腕表)或手机利用设备自身唯一识别码——设备Mac地址作为区分被监测个体的依据，每台可穿戴移动设备都代表一个被监测个体，从而保障佩戴者身份识别的准确性。

2)由于可穿戴移动设备(腕表)能够实时定位，这是研究个体出行模式的重要途径，所以我们通过可穿戴移动设备(腕表)上的心率感应探针实时监测佩戴个体的心率值，通过心率值的存在或者监测不出两种情况来判断该个体是否配带可穿戴设备(腕表)，准确率高。

3)为使被监测个体的PM2.5真实暴露情况更加精确，我们通过Wi-Fi信号实时扫描检测为该个体配置的室内Wi-Fi，当扫描到的Wi-Fi-Mac(BSSID)与为该个体配置的室内Wi-Fi-Mac(BSSID)吻合时，及该个体在室内。而扫描无结果或者不匹配的情况下，皆判定个体在室外。(室外情况采用距离被监测个体定位位置最近的环境监测站上报的PM2.5浓度)。

4)运用微环境监测设备(PM2.5监测仪)和获取大量被监测个体室内PM2.5的浓度值成为流行病学研究中个体暴露情况的数据依据。

5)由于每个课题研究人员需要研究不同的课题，所以课题研究人员可以开展多个项目用来研究不同的课题，项目是按季节或者月份拆分成不同的阶段，便于对某个时间段内的数据进行分析。由于开展的不同的课题所在的区域一样，所以允许被监测个体可以隶属于不同的课题。课题研究人员可以查询到每个被监测个体是否在线，以及在线率等相关信息，保证被监测个体数据的准确性。

6)根据百度(高德)定位技术，通过可穿戴设备来实时获取被监测个体的经纬度及地址信息，然后可穿戴设备通过移动网络将经纬度及地址、时间等信息传至服务端，服务端首先根据经纬度和地址信息来判断被监测个体所处的城市区域，然后用经纬度与该城市区域内所有环境监测站点经纬度(环境监测站经纬度是提前录入的)逐个比对，从而找出距离个体最近的监测站点，然后根据监测站该时间点下监测数据来判断个体PM2.5实时暴露量。

7)由于被监测个体分布在不同的地区，可以直观的从地图上显示出每个地区室内、室外的平均时长还有PM2.5的平均暴露浓度，点击详细可以查看该地区被监测个体及所有分配出去的设备的在线、离线情况，以及被监测个体所处的位置和所处位置的PM2.5的浓度。利用被监测个体上传上来的位置信息，可以将这些信息展示在地图上，形成出行轨迹，可以通过图标来区分当时所处位置是属于家、室外还是办公室。

8)个体处于室外时采用网络定位和GPS定位两种定位类型，定位类型可根据百度(高德)提供定位接口来实时获取，如果当前采用GPS定位时，根据接口可直接获取个体移动速度，如果当前采用网络定位时，根据个体当前位置和五分钟前个***置来计算出个体移动速度，从而根据速度来估算用户出行模式及使用交通工具等情况。根据库中历史数据，也可估算出个体平时的出行习惯。

9)PM2.5的监测数据的来源主要是通过匹配的室外监测站点和室内PM2.5监测仪，在项目中个体的室外监测数据占有很大的比重，当然这个获取过程，也是存在着一定的难度和复杂性的。个体处于室外时采用网络定位和GPS定位两种定位类型，存在一定的误差和延迟，以及定位失败等等，所以我们在个体通过可穿戴移动设备向服务器传输定位的时候，以5km/m为最大移动速度，从而确定个体大概的移动范围，判断该个体上传定位信息的准确性，间接保证了室外匹配最近监测站而获取到的PM2.5的数据的准确性。

当然，室外定位时，由于SIM3G/4G网络的不稳定、信号差等原因导致的定位数据失败，我们会暂时把该定位数据暂存在可穿戴移动设备的内存中，在每日的下午18时，统一上传给服务器，服务器会二次更新该个体的定位数据，从而达到室外通过监测站获取PM2.5数据的准确、可靠的目的。

10)由于PM2.5的监测数据对于整个项目的研究和评估起到至关重要的作用，所以对于PM2.5数据还有一套矫正的算法，室内PM2.5监测仪与真值存在一定误差，为了尽量减少这种误差，内嵌矫正系数和算法，对实时采集的数据进行矫正。

11)PM2.5个体暴露平台对被监测个体的监测设备，有一套复杂的对应关系配置，我们用告警处理法，轻松解决了这个问题，当项目建立成功后，通过告警自检的方式，可找到配置过程中存在的错误，大大提高了设备问题的处理和解决能力

12)被监测个体在整个监测项目是至关重要的受测群体，我们在监测被监测个体的同时，又用平台的基础数据与相关算法，得出该个体与环境的反应关系，及时对个体作出一个建议性报告，起到一个良好的引导和预防作用。

13)平台采用网页端和应用端，双方面统筹管理，既解决了网页端操作繁琐、不在电脑端无法开启***等等问题，又深化了移动设备代替传统PC出行时操作方便的理念。(

2、本发明对以后暴露研究产生深远影响，具体如下：

(1)大气PM_2.5个体暴露参数实时采集的海量数据

本发明将构建一套大气PM_2.5暴露参数实时采集技术，获取了大气颗粒物个体暴露的海量数据集。其中对20-30监测个体的暴露参数进行重复性连续测量2-3个月，部分暴露数据的时间分辨率以秒计，因此可获取个体暴露参数的海量数据。这套技术与数据集在我国大气颗粒物个体暴露评估与健康效应研究中非常缺乏，其优点：

第一，室外暴露、室内暴露、暴露模式等实时个体暴露参数数据集实现了个体尺度上的实时暴露数据采集，填补了大气颗粒物个体暴露评估的关键基础；

第二，室内在线监测、个体暴露模式定位等新型技术的发开与应用能够实时采集暴露数据，增加了海量暴露参数获取的可行性，为大气颗粒物个体暴露评估的研究提供了最前沿的技术更新与技术支撑。

(2)对室内微环境大气PM_2.5监测技术的改进(对室内监测仪添加数据传输模块)

本发明对个体暴露参数测量技术进行了改进，尤其对于室内微环境PM_2.5在线实时监测设备的改进可提高该类设备的依从性与可操作性。一方面，改进监测设备的驱动方式，将固定式监测设备改为可插拔便携式设备，不需安装至固定位置，可携带至不同的地方监测，操作简单，插电即可，可实时测量室内大气颗粒物浓度；另一方面，改进设备的数据传输方式，使其可以通过连接无线通讯***进行海量数据的高速传输；这对已有的室内在线监测设备来说不论是在数据传输的便捷性，还是在设备运行的可行性方面都有显著优势。

(3)开发基于GPS的个体暴露行为模式的定位技术(设计可穿戴腕表式时间——活动模式监测设备、时空信息)

本发明开发基于GPS的个体暴露模式定位技术，这项技术与传统的问卷调查出行模式的方式相比，显著提高出行模式数据获取的精确性与便捷性，大大降低为获取暴露模式的人力资本。这对于基于出行模式-时间加权的个体暴露水平估算模型来说，是对模型参数可获得性与准确性的极大改善；同时，也为环境健康流行病学研究提供了行之有效的定位技术与实时定位数据。

(4)快速估算大气颗粒物PM_2.5个体暴露方法

基于海量个体暴露参数，基于暴露模型-时间加权的个体暴露水平估算方法，为以后构建应用室外固定站点监测、室内在线监测数据与个体暴露模式数据的个体暴露估算模型打下坚实基础；同时，以实测PM_2.5个体暴露数据为精标准，能够对以后模型准确度与科学性进行评估与验证，从而进一步确立模型。该个体暴露估算模型则能够突破个体暴露仪成本高、难以大规模应用的局限，仅依据容易获得的室外站点监测与室内在线监测数据、个体暴露模式数据即可模拟个体暴露水平。这将填补我国在大气颗粒物健康影响流行病学研究中个体暴露水平匮乏的瓶颈问题。

(5)建立了实时个体暴露海量数据中心

基于互联网与物联网技术，本发明建立个体暴露参数海量数据中心平台，用于个体暴露海量数据的实时传输、实时存储、实时查看、空间可视化展示、实时调用等；同时，数据中心平台预留与外部环境健康数据的对接接口，实现海量个体暴露参数的实时共享及应用。大气PM2.5实时监测技术所采集的海量个体暴露参数数据将会通过SIM卡、Wi-Fi信号等无线通讯传输通道实时反馈回数据中心，不断累积宝贵的大气颗粒物个体暴露参数数据。该技术的研发不仅是对大气颗粒物个体暴露评估的数据与技术方面创新性的改进，更是对大气颗粒物流行病学研究未来发展方向与环境健康海量数据研究方式的支撑与推动。

附图说明

图1所示为本发明一种PM2.5个体暴露自动化监测装置的结构框图。

图2所示为本发明一种PM2.5个体暴露自动化监测方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图1-2和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明包含一种PM2.5个体暴露自动化监测装置，如图1所示，包括平台数据采集***和平台数据管理***。

平台数据采集***包括：室内PM2.5监测仪器、可穿戴设备、可插卡式路由器及云平台。室内PM2.5监测仪器及可穿戴式设备与可插卡式路由器连接通讯，通过移动网络将数据上传至云平台。具体如下：

PM2.5个体暴露自动化监测的前提是需要将监测设备、数据传输设备与相关个体进行配对绑定，各设备间依托绑定关系共同完成数据的监测、采集、识别、传输等功能。其中，个体、室内PM2.5监测仪、可插卡式路由器、可穿戴设备之间的绑定关系如下所示：

1)个体需绑定可穿戴设备，其中可穿戴设备提供身份识别和扫描附近Wi-Fi的作用。

2)室内PM2.5监测仪需绑定可插卡式路由器，可插卡式路由器为室内PM2.5监测仪提供网络环境，支持其与数据管理平台的交互，并且由于可插卡式路由器会放置在个体的常驻场所内，所以PM2.5监测仪与可插卡式路由器的安置坐标即个体常驻场所的坐标。

3)个体需绑定可插卡式路由器，个体通过扫描附近Wi-Fi，获取附近Wi-Fi-MAC信息，判断个体是否在常驻区域内。绑定完成。

其中可穿戴设备可以为手机或腕表，需安装有数据监测应用端，用于可穿戴设备佩戴情况监测、实时定位以及是否在常驻区域内监测。

其中，可穿戴设备至少包括心率模块、GPS定位模块、Wi-Fi模块；通过可穿戴设备心率模块监测被监测个体是否佩戴可穿戴式设备，通过GPS定位模块开启定位功能，获取可穿戴式设备的所在地的经纬度信息，并且根据每台可穿戴式设备的独立MAC地址来识别和区分佩戴其的被监测个体的身份，Wi-Fi模块用于打开Wi-Fi自动扫描附近的室内Wi-Fi，获取其详细信息；可穿戴设备通过4G网络与服务器数据平台交互，获取安装在被监测个体家中、办公室及常驻场所室内Wi-Fi的独立MAC地址并与附近环境中可插卡路由器(Wi-Fi)的MAC进行匹配，根据匹配结果，向服务器平台进行反馈。室内PM2.5监测仪通过可插卡路由器(Wi-Fi)将PM2.5浓度值实时上传。

其中：常驻场所的室内Wi-Fi是指提前录入到***内，且关联给该个体对应的场所的Wi-Fi。示例：***录入并分配给个体A的常驻场所的Wi-Fi是Ehra1.个体A手机通过平台获取到Ehra1的独立MAC。

附近环境中可插卡路由器(Wi-Fi)是指该个体所处场所实际放置的Wi-Fi。示例：个体A通过手机扫描场所附近Wi-Fi信号,如果是常驻区域，会扫描到Ehra1，如果非常驻区域，则扫描不到Ehra1.

可插卡路由器(Wi-Fi)是指放置在该个体常驻场所的Wi-Fi，该Wi-Fi同时为室内监测仪提供网络服务。

平台数据管理***包括：网页端和应用端，二者共同对云平台进行管理。具体如下：

■网页端管理平台

网页端管理平台具体包括：首页(地图模块)、项目管理模块(项目建设模块、数据匹配模块、数据导出模块、报告生成模块、告警模块、数据统计模块、解绑模块)、设备管理模块、个体管理模块等。

1、地图模块用于查看项目中可穿戴设备(腕表)、室内PM2.5监测仪、可插卡式路由器(Wi-Fi)所处位置(放置位置)以及通过颜色来区分其在线/离线状态等。具体介绍如下：

用户登录平台，进入首页能够看到项目中，各设备的在线/离线数目统计，可以在地图上查看到正在进行的项目所在区域(例如河北省)，鼠标放置在该区域，则会显示此省或直辖市开展的项目人均24小时暴露量，室内平均暴露浓度、室外平均暴露浓度、室内平均暴露时长、室外平均暴露时长五大统计值。

点击地图上该区域，进入该省或者该直辖市地图，可以查看在此项目中所有的可穿戴设备(腕表)、室内PM2.5监测仪此刻所处的位置(室内监测仪为放置位置，固定不会移动)以及通过颜色来区分其在线/离线状态等，点击地图上可穿戴设备的Maker，弹出该个体的定位信息以及实时暴露值。点击地图上室内PM2.5监测仪的Maker,则会弹出该监测仪的定位信息以及实时暴露值。

2、项目管理模块用于项目的建设功能、数据的查阅与导出功能、告警以及解绑统计等，具体包括项目建设模块、数据匹配模块、数据导出、报告生成模块、告警模块、数据统计模块、解绑模块。

主要功能如下:

项目建设模块用于创建项目，分配个体，分配阶段，执行和开展项目。

数据匹配模块用于将数据采集***收取到平台数据库中的数据进行二次匹配和整理，将不达标的PM2.5数据备注，对室外定位数据甄选出出行误差较大的进行备注(例：个体实际在朝阳，***定位到海淀等情况)处理等。

数据导出模块用于将项目所有个体的监测数据统一批量导出。

报告生成模块用于平台根据个体在此次监测中的暴露数据自动生成一份健康评估报告，该报告会给出出行建议。

告警模块用于对项目建设过程中，错误的配置方案进行告警提示功能。示例：项目为监测个体A家中配置了室内监测仪S43，实施过程中也在其家中放置了可插卡路由器(Wi-Fi)W25，但是却未在***中给该室内监测仪S43关联可插卡路由器(Wi-Fi)W25,因此平台无法获取该个体的室内(家)定位(室内的定位是绑定在可插卡路由器上)，故而生成告警提示。

数据统计模块用于对数据的整个采集过程的一种统计手段，统计其个体的平均暴露浓度、暴露总个数、暴露总时长(项目阶段时长-示例：阶段创建时长为48小时)、暴露时长(即个体的实际暴露总时长-在室内要腕表和监测仪都在线，在室外要腕表在线且室外监测站此时有暴露值才算有效时长)、穿戴时长(根据个体的可穿戴设备上的心率模块监测该个体是否佩戴设备，从而得出其穿戴时长)、在线率等。

解绑模块用于项目结束后对分配给个体所有的监测设备进行一键解绑处理且自动保存该匹配关系和此次该个体的暴露数据。

3、设备管理模块用于可穿戴设备(手机/腕表)、室内PM2.5监测仪、可插卡式路由器(Wi-Fi)三种设备的新增、删除、更改、查询以及可插卡式路由器与室内PM2.5监测仪的绑定功能。

4、个体管理模块用于对被监测个体个人信息的新增、删除、更改、查询等功能。

■应用端管理平台

相对于网页端，应用端更加方便和简洁，UI设计新颖，理念突出，操作性简单。在开展项目的同时，用户可以打开手机应用端，对项目以及被监测个体、设备进行快速新建和部署。

应用端管理平台具体包括：应用首页(项目统计)、项目管理模块、设备管理模块、个体管理模块。

1、应用首页模块主要显示项目中可穿戴设备(手机/腕表)、室内PM2.5监测仪、可插卡式路由器(Wi-Fi)在线/离线情况，统计项目开展地区被监测个体人群的人均24H浓度值、室内/外平均浓度、室内/外平均监测时长等信息。

2、项目管理模块用于创建项目，分配个体，分配阶段，执行和开展项目。

3、设备管理模块用于可穿戴设备(手机/腕表)、室内PM2.5监测仪、可插卡式路由器(Wi-Fi)三种设备的新增、删除、更改、查询以及可插卡式路由器与室内监测仪的绑定功能。

4、个体管理模块用于对被监测个体个人信息的新增、删除、更改、查询等功能。

本发明一种PM2.5个体暴露自动化监测方法，基于上述PM2.5个体暴露自动化监测装置能够通过网页版和应用版双端同步管理。在整个实施过程中主要有两方人员参与，即项目实施方(平台使用者)和项目被监测方(数据采集来源)，项目实施方可以通过网页端+应用端共同对平台进行管理。被监测方通过监测设备将暴露值与定位信息上传给平台服务器。功能主要包含数据采集与数据管理等功能，如图2所示，具体步骤如下：

S1、数据采集

数据采集主要包括可穿戴设备采集、室内PM2.5监测仪数据采集、室外站点PM2.5数据采集,其目的是通过采集这些数据，将数据传送到平台服务器，平台服务自动构建模型计算出更接近实际活动的个体暴露水平，具体采集如下：

S11、可穿戴设备(腕表)采集

安装在可穿戴设备上的定制App后台可自动采集佩戴情况、定位数据，自动扫描周边是否有常驻场所Wi-Fi。

实现原理具体如下：

被监测个体打开可穿戴设备上的定制应用App，App每30分钟向平台服务器获取该设备所属个体家、办公室及常驻场所等Wi-Fi的MAC地址，存入设备中；

该App后台每2分钟会通过设备上的心率感应探针，实时监测被监测个体的心率，根据心率的监测值(60-100)，判断被监测个体的佩戴情况；

App后台自动打开定位模块，通过百度地图SDK获取设备定位坐标，若个体是佩戴情况，则该设备的定位坐标即该个体的定位坐标。反之则定位数据无效。

App会自动打开Wi-Fi监测扫描附近Wi-Fi的MAC地址，匹配是否包含家、办公室或常驻场所等Wi-Fi的MAC地址；

通过与上一定位坐标对比计算，初步判定该定位是否异常。最后将结果上报给平台服务器，供平台做二次分析处理。

项目实施方实施流程：

用户登录网页版(或应用版)管理平台，创建项目，创建项目开展阶段，录入参与的被监测个体信息，录入可穿戴设备(腕表/手机)、室内PM2.5监测仪、可插卡路由器(WI-FI)的信息，绑定被监测个体与三种监测设备的关联关系，为即将开展的项目阶段匹配成功绑定设备后的各个被监测个体。

其中，被监测个体与室内PM2.5监测仪、可插卡式路由器、可穿戴设备之间的绑定关系如下：

1)被监测个体绑定可穿戴设备，其中可穿戴设备提供身份识别和扫描附近Wi-Fi的作用。

2)室内PM2.5监测仪绑定可插卡式路由器，可插卡式路由器为室内PM2.5监测仪提供网络环境，支持其与数据管理平台的交互，并且由于可插卡式路由器会放置在个体的常驻场所内，所以PM2.5监测仪与可插卡式路由器的安置坐标即被监测个体常驻场所的坐标。

3)被监测个体绑定可插卡式路由器，被监测个体通过扫描附近Wi-Fi，获取附近Wi-Fi-MAC信息，判断被监测个体是否在常驻区域内。绑定完成。

将可穿戴设备(腕表/手机)分配给被监测个体佩戴，被监测个体不需要操作，只需打开可穿戴设备上的采集应用，应用会自动运行进行定位采集。

S12、室内PM2.5监测仪数据采集

实现原理具体如下：

室内PM2.5监测仪连接上可插卡式路由的网络后，会定时将监测到的PM2.5数据上传至监测仪厂家的服务支持平台，平台服务器会通过监测仪的MAC地址和授权码定时调用厂家的服务接口，并将数据存入平台服务器的数据库中。

项目实施方实施流程：

项目实施方将插卡式Wi-Fi和室内PM2.5监测仪放置在各被监测个体的常驻场所，开启并设置其网络，记录该Wi-Fi的独立MAC地址，以及被监测个体家或办公室的坐标。将室内PM2.5监测仪连接插卡式Wi-Fi，室内PM2.5监测仪自动将室内PM2.5值上传至监测仪厂家服务支持平台，PM2.5个体暴露科研集成平台后端服务程序会通过监测仪的设备编号和厂家提供的服务接口获取获取该场所监测仪的监测数据，并将数据传至平台数据库。

S13、室外站点PM2.5数据采集

实现原理具体如下：

室外环境监测站的空气质量指数实时数据来源于国家环境保护部服务接口，平台服务器会定时采集网站提供的实时数据，将数据存入平台服务器的数据库中。

S2、数据处理

数据处理主要包括定位数据矫正、室外PM2.5监测数据矫正、告警监测、设备解绑、个体PM2.5实际暴露数据生成。具体如下：

S21、定位数据矫正

由于被监测个体佩戴可穿戴设备所处环境存在无网络、网络信号差及GPS信号差等原因，会造成定位精度低、数据不准确的情况。针对这些情况被监测个体定位应用端会优先排除掉定位精度低的坐标点，同时使用球面距离公式对一系列定位数据的计算分析：

d(lat1,lng1,lat2,lng2)＝r*arccos(cos(lat1*π/180)*cos(lat2*π/180)*cos(lng1*π/180-lng2*π/180)+sin(lat1*π/180)*sin(lat2*π/180))

其中d为距离，r为地球半径，lat1,lng1，lat2,lng2为两点经纬度。

通过计算两坐标点距离以及已知的两坐标点采集间隔时间，并估算出被监测个体移动的平均速度，对超出120km/h的定位点进行矫正或排除。从而保留更加接近个体行动轨迹的定位数据。

S22、室外PM2.5监测数据矫正

室外PM2.5监测数据来源于国家环境保护部发布接口，PM2.5指标数据存在错误值，我们将采集的指标值进行监测和筛选，发现数值存在小于或等于3的情况。我们将等于3的值保留处理，小于3的值则排除。从而使室内PM2.5监测数据更加接近真实环境数据，降低PM2.5数据误差。

S23、告警监测

平台根据被监测个体的监测情况自动生成告警，当监测设备出现未配置相关设备、配置信息错误、断网、关机等情况的时候，***会根据数据传输情况自动生成该设备的信息有误、离线等告警提示，用户可根据告警提示，找到为个体配置监测设备的环节中漏掉的或错误的操作，以及需要重启的设备等，及时作出相关处理。

S24、个体PM2.5实际暴露数据生成

平台服务器采集到的定位数据，家、办公室、常驻场所以及室外PM2.5监测数据实际只是原始数据，并不能反映出个体PM2.5暴露情况。由于监测个体绑定了可穿戴设备、室内PM2.5监测仪的信息，故平台服务器定时通过可穿戴设备的定位数据匹配出最近的室外PM2.5监测站；通过绑定的室内PM2.5监测仪获取到室内PM2.5的监测数据；通过绑定的可插卡式路由器的MAC地址与定位数据(定位数据包括佩戴情况、经纬度、数据是否异常及附近Wi-Fi的MAC)中附近Wi-Fi的MAC对比判断出所处位置属于家、办公室、常驻场所等。从而构建个体PM2.5实际暴露数据模型。

由于数据的延迟性(如最接近上午10点58分的室外PM2.5值是在上午11点采集到的，58分的时候并不知道11点的PM2.5数据)造成数据并不是最接近真实的数据。针对这种情况，平台服务器每天0点定时进行二次匹配计算，对数据模型准确度与科学性进行评估验证。

S25、数据采集结束后，回收设备，一键解绑。

网页版平台提供设备回收解绑操作功能，当项目结束后，采集实施方通过项目-项目阶段的一键解绑功能，解除该项目-项目阶段所有被监测个体与设备的绑定关系。

S26、个体暴露报告单

项目结束后，选择单一被监测个体，根据该个体在项目期间的监测数据，生成个体暴露报告单，该报告单具有实时暴露监测报告、综合暴露监测报告、温馨提示等内容，且该报告支持在线查看，一键导出。

S27、数据传输支持

可穿戴移动设备定位信息使用SIM的3G/4G网络进行数据传输。

配备给被监测个体的可插卡式路由器设备为室内Pm2.5监测仪提供网络支持。

Claims (1)

1.一种PM_2.5个体暴露自动化监测装置的自动化监测方法，其特征在于：其采用的自动化监测装置包括平台数据采集***和平台数据管理***；

平台数据采集***包括：室内PM_2.5监测仪、可穿戴设备、可插卡式路由器及云平台；室内PM_2.5监测仪及可穿戴式设备与可插卡式路由器连接通讯，通过移动网络将数据上传至云平台；室内PM_2.5监测仪、可插卡式路由器、可穿戴设备与被监测个体绑定；

其中可穿戴设备安装有数据监测应用端，用于可穿戴设备佩戴情况监测、实时定位以及是否在常驻区域内监测；可穿戴设备至少包括心率模块、GPS定位模块、Wi-Fi模块；

平台数据管理***包括：网页端和应用端，二者共同对云平台进行管理；具体如下：

网页端具体包括：

1）地图模块，用于查看项目中可穿戴设备、室内PM_2.5监测仪、可插卡式路由器所处位置以及通过颜色来区分其在线/离线状态；

2）项目管理模块，用于项目的建设功能、数据的查阅与导出功能、告警以及解绑统计，具体包括项目建设模块、数据匹配模块、数据导出、报告生成模块、告警模块、数据统计模块、解绑模块；

3）设备管理模块，用于可穿戴设备、室内PM_2.5监测仪、可插卡式路由器三种设备的新增、删除、更改、查询以及可插卡式路由器与室内PM_2.5监测仪的绑定功能；

4）个体管理模块，用于对被监测个体个人信息的新增、删除、更改、查询功能；

应用端具体包括：

1）应用首页模块，显示项目中可穿戴设备、室内PM_2.5监测仪、可插卡式路由器在线/离线情况，统计项目开展地区被监测个体人群的人均24H浓度值、室内/外平均浓度、室内/外平均监测时长信息；

2）项目管理模块，用于创建项目，分配个体，分配阶段，执行和开展项目；

3）设备管理模块；用于可穿戴设备、室内PM_2.5监测仪、可插卡式路由器三种设备的新增、删除、更改、查询以及可插卡式路由器与室内监测仪的绑定；

4）个体管理模块用于对被监测个体个人信息的新增、删除、更改、查询；

自动化监测方法具体步骤如下：

S1、数据采集

数据采集包括可穿戴设备采集、室内PM_2.5监测仪数据采集、室外站点PM_2.5数据采集，通过采集这些数据，将数据传送到平台服务器，平台服务器自动构建模型计算出更接近实际活动的个体暴露水平；

S2、数据处理

数据处理包括定位数据矫正、室外PM_2.5监测数据矫正、告警监测、设备解绑、个体PM_2.5实际暴露数据生成；

步骤S1数据采集具体过程如下：

S11、可穿戴设备采集

安装在可穿戴设备上的定制App后台可自动采集佩戴情况、定位数据，自动扫描周边是否有常驻场所Wi-Fi；

S12、室内PM_2.5监测仪数据采集

项目实施方将可插卡式路由器和室内PM_2.5监测仪放置在各被监测个体的常驻场所，开启并设置其网络，记录该Wi-Fi的独立MAC地址，以及被监测个体家或办公室的坐标；将室内PM_2.5监测仪连接可插卡式路由器，室内PM_2.5监测仪自动将室内PM_2.5值上传至监测仪厂家服务支持平台，PM_2.5个体暴露科研集成平台后端服务程序会通过监测仪的设备编号和厂家提供的服务接口获取该场所监测仪的监测数据，并将数据传至平台数据库；

S13、室外站点PM_2.5数据采集

室外环境监测站的空气质量指数实时数据来源于国家环境保护部服务接口，平台服务器会定时采集网站提供的实时数据，将数据存入平台服务器的数据库中；

步骤S2数据处理的具体过程如下：

S21、定位数据矫正

针对被监测个体佩戴可穿戴设备所处环境存在无网络、网络信号差及GPS信号差造成的定位精度低、数据不准确的情况，被监测个体定位应用端会优先排除掉定位精度低的坐标点，并估算出被监测个体移动的平均速度，对超出120km/h的定位点进行矫正或排除，从而保留更加接近个体行动轨迹的定位数据；

S22、室外PM_2.5监测数据矫正

将等于3的值保留处理，小于3的值则排除，使室内PM_2.5监测数据更加接近真实环境数据，降低PM_2.5数据误差；

S23、告警监测

平台根据被监测个体的监测情况自动生成告警，当监测设备出现未配置相关设备、配置信息错误、断网、关机的情况，***会根据数据传输情况自动生成该设备的信息有误、离线的告警提示，用户可根据告警提示，找到为个体配置监测设备的环节中漏掉的或错误的操作，以及需要重启的设备，及时作出相关处理；

S24、个体PM_2.5实际暴露数据生成

平台服务器定时通过可穿戴设备的定位数据匹配出最近的室外PM_2.5监测站；通过绑定的室内PM_2.5监测仪获取到室内PM_2.5的监测数据；通过绑定的可插卡式路由器的MAC地址与定位数据中附近Wi-Fi的MAC对比判断出所处位置属于家、办公室、常驻场所，从而构建个体PM_2.5实际暴露数据模型；

S25、数据采集结束后，回收设备，一键解绑；

S26、个体暴露报告单

项目结束后，选择单一被监测个体，根据该个体在项目期间的监测数据，生成个体暴露报告单，该报告单具有实时暴露监测报告、综合暴露监测报告、温馨提示内容，且该报告支持在线查看，一键导出；

S27、数据传输支持

可穿戴移动设备定位信息使用SIM的3G/4G网络进行数据传输，配备给被监测个体的可插卡式路由器设备为室内PM_2.5监测仪提供网络支持。

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