室內空氣監測凈化系統設計

廖偉++葉應龍++張宇生++王康泰

摘 要：智能家居是目前物聯網技術的重要應用途徑之一，近幾年發展非常迅猛。基于物聯網技術設計了一款室內空氣檢測凈化系統。該系統主要由監測端主機、監測端從機、凈化端和上位機組成。監測端主機通過2.4 G無線方式和多個監測端從機通信，接收氣體成分的濃度并在人機交互界面顯示。監測端從機提供4個不同的空氣傳感器接口，用戶可根據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，產生負氧離子，吸收異味等功能。上位機由手機App和電腦客戶端組成，可以通過手機及電腦獲取室內空氣的狀況。

關鍵詞：物聯網；智能家居；空氣凈化；2.4 G

中圖分類號：TN108+.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

近年來室內空氣污染物的來源和種類不斷增多， 室內環境質量日益惡劣，對人體健康影響較大，目前已引起人們的廣泛關注并成為研究熱點。調查表明，人有80%以上的時間是在室內度過的，室內環境污染對人們的身體健康和生活工作質量帶來了直接影響。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整體，效果差強人意。本系統采用分立式設計，凈化范圍廣、安裝便捷，不僅能凈化空氣，還具有防火、防泄漏、報警等功能，可消除室內安全隱患[1]。

1 系統設計

本系統主要由監測端主機（1個）、監測端從機（多個）、凈化端（多個）和上位機（電腦客戶端和手機App）組成，由這4部分構成完整的網絡，作為智能家居的組成部分[2]。

1.1 監測端主機

監測端主機是系統的核心單元，是系統的控制中心和數據處理中心。它采用TFT屏進行人機交互，用戶可以查看各個房間的溫濕度及氣體濃度，當室內空氣污濁時自動開啟凈化端凈化空氣，若室內有害氣體或甲烷濃度高于100 ppm時，認為室內空氣危險，啟動聲光報警。同時配備WiFi模塊和藍牙模塊分別用于連接電腦客戶機和手機App。監測端主機與從機通過2.4 G模塊通信，從機把溫濕度以及氣體濃度信息傳送給主機。

1.2 監測端從機

監測端從機主要負責空氣信息的采集，包含氣體溫濕度、PM2.5、CO2、CO、甲烷等。不同的從機可以攜帶不同的傳感器，每個從機可以同時攜帶1～5個不同的氣體傳感器。

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，產生負氧離子，吸收異味[3]。

1.4 上位機

上位機部分主要由PC端客戶機和手機App組成，PC端通過WiFi和監測端主機連接，手機通過藍牙方式連接。通過WiFi或者藍牙可以在電腦客戶端或者手機App上實時觀察室內的空氣情況，并將7天內的信息繪制成曲線，給出合理建議。系統框圖如圖1所示。

2 系統實現

2.1 硬件方案

監測端主機采用功能強大的STM32F407ZET6作為主控芯片[4，5]，主頻高達168 MHz，擁有豐富的外設模塊，可以滿足無線收發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App通信時采用藍牙方式，所以使用CC2540芯片作為藍牙傳輸芯片與手機App進行通信，它通過串口和主控相連，數據傳輸非常方便。采用WiFi的方式與電腦客戶端連接，將ESP8266芯片作為藍牙傳輸芯片，當電腦連接上該芯片發射出的WiFi信號后便可與電腦客戶端進行通信[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的彩色觸摸屏進行人機交互。采用5 V開關電源[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。

考慮到監測端從機功能較為單一，所以采用引腳較少、主頻較低的STM32 F103C8T6為主控芯片。與主機一樣，無線傳輸采用nRF24L01芯片和主機進行通信。由AM2321溫濕度模塊測量室內溫濕度，該芯片比較靈敏、準確，對溫度的分辨率可達到0.1℃，精度為±0.5℃，它通過I2C總線和主控進行通信。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通過讀取數據口的高電平比例來計算PM2.5的濃度，其他氣體傳感器均采用ADC轉換的方式讀取氣體濃度。供電采用12 V開關電源和鋰電池混合供電的方式，開關電源為常用供電方式，鋰電池為備用供電方式[8]，當停電時立即開啟鋰電池供電。

凈化端內部主要由風扇、過濾網、負氧離子發生器組成。其中負氧離子發生器和風扇由監測端從機控制，負氧離子發生器由紫外燈板組成，紫外燈照射空氣后可以產生大量負氧離子，使空氣更加清新。過濾網由光觸媒濾網、HEPA濾網、活性炭濾網組成，空氣經過過濾網后不僅可以降解苯、甲苯等有害分子，還可以吸附PM2.5，吸收異味。當監測端主機檢測到空氣污濁時，控制風扇和紫外燈板凈化空氣。

2.2 軟件方案

系統共使用4個2.4 G無線模塊，模塊初始狀態均配置為接收方式，每個無線模塊擁有不同的地址，依次為0x01到0x04。當某個模塊需要發送數據時先配置發送方式，將接收地址和需要發送的數據寫入數據包中后開啟發送，數據包發送成功后會收到接收方的應答信號，可以根據應答信號的有無判斷數據包是否發送成功。如果發送成功則重新切換成接收狀態，如果發送失敗則重新發送，連續5次發送失敗后放棄發送。2.4 G網絡數據包格式如表1所列[9]。

WiFi模塊、藍牙模塊分別和電腦、手機建立連接后可直接使用發送函數發送數據。

監測端從機每分鐘采集10次空氣成分信息，經處理后發送到監測端主機。由于測量數據易受環境影響，會產生粗大誤差，所以在10次測量結果中剔除粗大誤差后取平均值作為當前空氣濃度的真實值。剔除粗大誤差采用格拉布斯準則：當某測量值Ui的殘差的絕對值|Vi|>G時，則剔除Ui，其中G值與測量次數和置信概率有關[10]，為數據的標準差。

監測端主機首先接收空氣成分數據，在TFT屏上顯示，若與電腦或手機建立連接則將數據發送到電腦或者手機。當空氣污濁（CO2濃度大于500 ppm、PM2.5濃度大于25 g/m3）時，發送凈化指令到監測端從機，從機控制凈化端凈化空氣。當有害氣體濃度超過正常值時，開啟聲光警報，同時發送凈化指令。監測端主機程序框圖如圖3所示。

3 系統測試

為檢測2.4 G網絡能否通信，可通過編程讓4個監測端從機每秒發送20個字節的數據，在主機的TFT屏上實時顯示接收到的數據，用以驗證結果是否達到了預期要求。

為檢測系統的凈化能力以及測量的準確度，特地購置了阿格瑞斯公司型號為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，所以實驗地點選擇在廚房，將WP6120檢測儀和本系統放置于同一地點并產生一定的油煙，記錄兩者的數據并繪制成如圖4所示的凈化效果圖。

由測量結果可知，本系統的誤差在±1 g/m3范圍內，對PM2.5的濾除非常有效，整體上達到了設計要求。

4 結 語

本系統實現了空氣檢測及凈化和可燃氣體泄漏報警的功能。同時和物聯網技術結合在一起，符合當今技術發展的方向。系統具有電腦客戶端和手機App，TFT彩色屏等人機交互界面，非常人性化。系統具有很強的實用性，大大提高了人們的生活質量，可廣泛應用于家庭、醫療系統、行政機關、企事業單位等場所。

參考文獻

[1]石芳芳，邱利民，于川，等.室內空氣凈化技術及產品綜述[J].制冷學報，2014（5）：14-18.

[2]周婷婷，尚浩.基于2.4G的智能家居控制系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2012，12（10）：67-69.

[3]蘇美先.空氣凈化器的研究和設計[D].廣州：廣州工業大學，2014.

[4]STMicroelectronics Ltd. Cortex-M4 programming manual： STM32F4xxx[S]. 2014.

[5]劉軍，張洋，嚴漢宇.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[6]王平，李向坪，嚴冬，等.2.4 GHz物聯網開發平臺的設計與實現[J].自動化與儀器儀表，2012，24（3）：160-163.

[7]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[8]駱磊.低功耗鋰電池保護電路的設計[D].西安：西安電子科技大學，2010.

[9]董立，尤楓，趙恒永.用戶定制的數據幀處理技術[J].計算機工程與設計，2007，28（12）：3003-3005.

[10]羅志增，薛凌云，席旭剛，等.測試技術與傳感器[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.