室內(nèi)空氣監(jiān)測凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖偉++葉應(yīng)龍++張宇生++王康泰

摘 要：智能家居是目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要應(yīng)用途徑之一，近幾年發(fā)展非常迅猛。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)空氣檢測凈化系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由監(jiān)測端主機(jī)、監(jiān)測端從機(jī)、凈化端和上位機(jī)組成。監(jiān)測端主機(jī)通過2.4 G無線方式和多個(gè)監(jiān)測端從機(jī)通信，接收氣體成分的濃度并在人機(jī)交互界面顯示。監(jiān)測端從機(jī)提供4個(gè)不同的空氣傳感器接口，用戶可根據(jù)不同的房間選擇不同的組合。凈化端起到凈化空氣的作用，具有凈化PM2.5，降解甲醛和苯，產(chǎn)生負(fù)氧離子，吸收異味等功能。上位機(jī)由手機(jī)App和電腦客戶端組成，可以通過手機(jī)及電腦獲取室內(nèi)空氣的狀況。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；空氣凈化；2.4 G

中圖分類號(hào)：TN108+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

近年來室內(nèi)空氣污染物的來源和種類不斷增多， 室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量日益惡劣，對人體健康影響較大，目前已引起人們的廣泛關(guān)注并成為研究熱點(diǎn)。調(diào)查表明，人有80%以上的時(shí)間是在室內(nèi)度過的，室內(nèi)環(huán)境污染對人們的身體健康和生活工作質(zhì)量帶來了直接影響。市場上的凈化器只起到凈化效果，且其檢測及凈化裝置為一個(gè)整體，效果差強(qiáng)人意。本系統(tǒng)采用分立式設(shè)計(jì)，凈化范圍廣、安裝便捷，不僅能凈化空氣，還具有防火、防泄漏、報(bào)警等功能，可消除室內(nèi)安全隱患[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由監(jiān)測端主機(jī)（1個(gè)）、監(jiān)測端從機(jī)（多個(gè)）、凈化端（多個(gè)）和上位機(jī)（電腦客戶端和手機(jī)App）組成，由這4部分構(gòu)成完整的網(wǎng)絡(luò)，作為智能家居的組成部分[2]。

1.1 監(jiān)測端主機(jī)

監(jiān)測端主機(jī)是系統(tǒng)的核心單元，是系統(tǒng)的控制中心和數(shù)據(jù)處理中心。它采用TFT屏進(jìn)行人機(jī)交互，用戶可以查看各個(gè)房間的溫濕度及氣體濃度，當(dāng)室內(nèi)空氣污濁時(shí)自動(dòng)開啟凈化端凈化空氣，若室內(nèi)有害氣體或甲烷濃度高于100 ppm時(shí)，認(rèn)為室內(nèi)空氣危險(xiǎn)，啟動(dòng)聲光報(bào)警。同時(shí)配備WiFi模塊和藍(lán)牙模塊分別用于連接電腦客戶機(jī)和手機(jī)App。監(jiān)測端主機(jī)與從機(jī)通過2.4 G模塊通信，從機(jī)把溫濕度以及氣體濃度信息傳送給主機(jī)。

1.2 監(jiān)測端從機(jī)

監(jiān)測端從機(jī)主要負(fù)責(zé)空氣信息的采集，包含氣體溫濕度、PM2.5、CO2、CO、甲烷等。不同的從機(jī)可以攜帶不同的傳感器，每個(gè)從機(jī)可以同時(shí)攜帶1～5個(gè)不同的氣體傳感器。

1.3 凈化端

凈化端主要起凈化空氣的作用?？梢詢艋疨M2.5，降解甲醛和苯，產(chǎn)生負(fù)氧離子，吸收異味[3]。

1.4 上位機(jī)

上位機(jī)部分主要由PC端客戶機(jī)和手機(jī)App組成，PC端通過WiFi和監(jiān)測端主機(jī)連接，手機(jī)通過藍(lán)牙方式連接。通過WiFi或者藍(lán)牙可以在電腦客戶端或者手機(jī)App上實(shí)時(shí)觀察室內(nèi)的空氣情況，并將7天內(nèi)的信息繪制成曲線，給出合理建議。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件方案

監(jiān)測端主機(jī)采用功能強(qiáng)大的STM32F407ZET6作為主控芯片[4，5]，主頻高達(dá)168 MHz，擁有豐富的外設(shè)模塊，可以滿足無線收發(fā)以及彩屏控制等功能的需要。采用nRF24L01芯片作為無線傳輸芯片，該芯片通過SPI接口和主控相連。與手機(jī)App通信時(shí)采用藍(lán)牙方式，所以使用CC2540芯片作為藍(lán)牙傳輸芯片與手機(jī)App進(jìn)行通信，它通過串口和主控相連，數(shù)據(jù)傳輸非常方便。采用WiFi的方式與電腦客戶端連接，將ESP8266芯片作為藍(lán)牙傳輸芯片，當(dāng)電腦連接上該芯片發(fā)射出的WiFi信號(hào)后便可與電腦客戶端進(jìn)行通信[6]。ESP8266芯片同樣也通過串口與主控相連，配置一塊分辨率為320×240的彩色觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互。采用5 V開關(guān)電源[7]供電為常用供電方式，鋰電池為備用供電方式。鋰電池充電采用TP4056芯片，其充電電路如圖2所示。

考慮到監(jiān)測端從機(jī)功能較為單一，所以采用引腳較少、主頻較低的STM32 F103C8T6為主控芯片。與主機(jī)一樣，無線傳輸采用nRF24L01芯片和主機(jī)進(jìn)行通信。由AM2321溫濕度模塊測量室內(nèi)溫濕度，該芯片比較靈敏、準(zhǔn)確，對溫度的分辨率可達(dá)到0.1℃，精度為±0.5℃，它通過I2C總線和主控進(jìn)行通信。提供4種氣體傳感器的接口，分別為檢測PM2.5的SDS011傳感器接口、檢測CO2的MH-Z14傳感器接口、檢測甲烷的MQ-2傳感器接口和檢測CO氣體的MQ-7傳感器接口。其中SDS011通過讀取數(shù)據(jù)口的高電平比例來計(jì)算PM2.5的濃度，其他氣體傳感器均采用ADC轉(zhuǎn)換的方式讀取氣體濃度。供電采用12 V開關(guān)電源和鋰電池混合供電的方式，開關(guān)電源為常用供電方式，鋰電池為備用供電方式[8]，當(dāng)停電時(shí)立即開啟鋰電池供電。

凈化端內(nèi)部主要由風(fēng)扇、過濾網(wǎng)、負(fù)氧離子發(fā)生器組成。其中負(fù)氧離子發(fā)生器和風(fēng)扇由監(jiān)測端從機(jī)控制，負(fù)氧離子發(fā)生器由紫外燈板組成，紫外燈照射空氣后可以產(chǎn)生大量負(fù)氧離子，使空氣更加清新。過濾網(wǎng)由光觸媒濾網(wǎng)、HEPA濾網(wǎng)、活性炭濾網(wǎng)組成，空氣經(jīng)過過濾網(wǎng)后不僅可以降解苯、甲苯等有害分子，還可以吸附PM2.5，吸收異味。當(dāng)監(jiān)測端主機(jī)檢測到空氣污濁時(shí)，控制風(fēng)扇和紫外燈板凈化空氣。

2.2 軟件方案

系統(tǒng)共使用4個(gè)2.4 G無線模塊，模塊初始狀態(tài)均配置為接收方式，每個(gè)無線模塊擁有不同的地址，依次為0x01到0x04。當(dāng)某個(gè)模塊需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先配置發(fā)送方式，將接收地址和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)包中后開啟發(fā)送，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功后會(huì)收到接收方的應(yīng)答信號(hào)，可以根據(jù)應(yīng)答信號(hào)的有無判斷數(shù)據(jù)包是否發(fā)送成功。如果發(fā)送成功則重新切換成接收狀態(tài)，如果發(fā)送失敗則重新發(fā)送，連續(xù)5次發(fā)送失敗后放棄發(fā)送。2.4 G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式如表1所列[9]。

WiFi模塊、藍(lán)牙模塊分別和電腦、手機(jī)建立連接后可直接使用發(fā)送函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

監(jiān)測端從機(jī)每分鐘采集10次空氣成分信息，經(jīng)處理后發(fā)送到監(jiān)測端主機(jī)。由于測量數(shù)據(jù)易受環(huán)境影響，會(huì)產(chǎn)生粗大誤差，所以在10次測量結(jié)果中剔除粗大誤差后取平均值作為當(dāng)前空氣濃度的真實(shí)值。剔除粗大誤差采用格拉布斯準(zhǔn)則：當(dāng)某測量值Ui的殘差的絕對值|Vi|>G時(shí)，則剔除Ui，其中G值與測量次數(shù)和置信概率有關(guān)[10]，為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

監(jiān)測端主機(jī)首先接收空氣成分?jǐn)?shù)據(jù)，在TFT屏上顯示，若與電腦或手機(jī)建立連接則將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦或者手機(jī)。當(dāng)空氣污濁（CO2濃度大于500 ppm、PM2.5濃度大于25 g/m3）時(shí)，發(fā)送凈化指令到監(jiān)測端從機(jī)，從機(jī)控制凈化端凈化空氣。當(dāng)有害氣體濃度超過正常值時(shí)，開啟聲光警報(bào)，同時(shí)發(fā)送凈化指令。監(jiān)測端主機(jī)程序框圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)測試

為檢測2.4 G網(wǎng)絡(luò)能否通信，可通過編程讓4個(gè)監(jiān)測端從機(jī)每秒發(fā)送20個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，在主機(jī)的TFT屏上實(shí)時(shí)顯示接收到的數(shù)據(jù)，用以驗(yàn)證結(jié)果是否達(dá)到了預(yù)期要求。

為檢測系統(tǒng)的凈化能力以及測量的準(zhǔn)確度，特地購置了阿格瑞斯公司型號(hào)為WP6120的PM2.5檢測儀。在生活中，PM2.5的來源主要是廚房里的油煙，所以實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇在廚房，將WP6120檢測儀和本系統(tǒng)放置于同一地點(diǎn)并產(chǎn)生一定的油煙，記錄兩者的數(shù)據(jù)并繪制成如圖4所示的凈化效果圖。

由測量結(jié)果可知，本系統(tǒng)的誤差在±1 g/m3范圍內(nèi)，對PM2.5的濾除非常有效，整體上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空氣檢測及凈化和可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警的功能。同時(shí)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起，符合當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的方向。系統(tǒng)具有電腦客戶端和手機(jī)App，TFT彩色屏等人機(jī)交互界面，非常人性化。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，大大提高了人們的生活質(zhì)量，可廣泛應(yīng)用于家庭、醫(yī)療系統(tǒng)、行政機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位等場所。

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