智能空氣凈化平臺的開發

韓宇光， 房金寶， 張賢益， 王宇帆

(華東理工大學 信息科學與工程學院， 上海 200237)

智能空氣凈化平臺的開發

韓宇光， 房金寶， 張賢益， 王宇帆

(華東理工大學 信息科學與工程學院， 上海 200237)

針對目前日益嚴峻的環境污染問題與人們的迫切需求，開發了智能空氣凈化平臺。整個系統利用Arduino UNO3單片機作為主控芯片，驅動PM2.5粉塵傳感器采集空氣質量信息，根據不同空氣質量分為優、良、中、差4個等級，從而控制風機的不同轉速。設備上的液晶屏幕顯示PM2.5指數，通過ESP8266 WiFi模塊將PM2.5數據上傳到中國移動物聯網開放云平臺，在移動端可以隨時查看設備所處位置的空氣質量。與傳統空氣凈化器相比，智能凈化平臺實現了自動控制和功率降低，同時搭建了物聯網云平臺，可以將實時凈化信息顯示在網頁端、移動端。試驗結果表明，該平臺效果良好，性能穩定，實現了預期的空氣凈化和遠程觀測功能。

空氣凈化器； 智能控制； 物聯網； 脈沖寬度調制； 負離子凈化

0 引 言

隨著全球工業化發展等原因，大氣污染越來越嚴重，可能誘發疾患或引起慢性中毒，甚至有致癌影響。因此，改善室內空氣環境成為一種迫切需求，空氣凈化類工具也在各領域內出現[1-3]。本設計在凈化器的基礎上利用單片機Arduino UNO3系統實現自動檢測空氣質量，從而控制凈化器的不同風機工作檔位，實現空氣凈化，同時設備的監測數據能夠通過互聯網傳輸到云平臺，以便使用者及時查看空氣質量變化情況。

1 系統總體結構

本設計內部以Arduino UNO3單片機作為主控芯片，通過PM2.5粉塵傳感器采集信息，將信息返回給主芯片，從而控制其他模塊的運作。信息還會傳送至LCD模塊和物聯網平臺，用戶可以通過LCD顯示屏以及OneNET中國移動物聯網平臺查看信息，及時掌握室內空氣質量的變化，過濾總過程如圖1所示。

圖1 過濾總過程示意圖

2 硬件設計

2.1 單片機控制模塊

本設計主控Arduino[4]具有質廉價優、函數封裝簡單易用等特點，在智能家居設計領域也有所使用[5]，本設計采用其做主控芯片，尤其是PWM輸出功能，可以高效控制電動機轉速以及軟串口功能，可以很好地滿足本設計需求。

2.2 應用模塊

本設計中還包含1602液晶顯示模塊[6-7]，調速電動機、風扇，ESP8266wifi模塊，粉塵傳感器等，總體連接如圖2所示。

圖2 硬件總體連接示意圖

3 軟件設計

3.1 控制系統程序流程

程序主要包括各模塊初始化工作、污染檢測、信息顯示、工作模式控制等方面，形成了循環采樣、控制的閉環控制系統，圖3所示為控制系統程序流程圖。

圖3 控制系統程序流程圖(μm)

3.2 編譯環境

Arduino IDE是Arduino的開放源代碼的集成開發環境[9]，其界面友好，語法簡單以及能方便地下載程序。Arduino IDE 編譯環境簡單易用，調試過程示意圖如圖4所示。

圖4 調試過程示意圖

3.3 PM2.5粉塵傳感器模塊

本傳感器以光的散射原理檢測顆粒物濃度[10]。進而換算成為質量濃度，并以通用數字接口形式輸出。傳感器采用串口通信方式，傳輸協議如表1所示。

表1 粉塵傳感器通訊協議

采用如下程序得到PM2.5濃度：

incomingByte = mySerial.read();//讀取串口發來信息

if (incomingByte == 0x42)//確定起始符

count =0;

if(count==6) //pm2.5高8位

temp=incomingByte;

if(count==7) //pm2.5低8位

return (256*temp+incomingByte);//合并2 byte，返回PM2.5濃度

3.4 PWM調速模塊

脈沖寬度調制(PWM)是利用數字輸出來對模擬電路進行控制的一種技術，應用領域廣泛[11]，如圖5所示。圖中：tPWM為PWM波的時間周期；tON為其高電平持續時間，則占空比公式為:

D=tON/tPWM

(1)

式中：D表示高電平時間占總時間的百分比。D作為調速信號由Arduino產生進入調速電動機，控制電動機轉速，進而調節凈化強度。

圖5 PWM波形示意圖

3.5 物聯網數據傳輸

OneNET是一個PaaS(平臺即服務)物聯網開放平臺，在物聯網領域經常使用，開放的第三方接口可以使ESP8266wifi模塊傳輸數據到云端儲存分析，以在應用中創建的儀表盤和折線圖為媒介，構建實時污染物質量監測平臺[13-14]。

4 運行結果分析

收集了污染指數較高的空氣做樣本進行凈化實驗。隨著凈化過程的進行，可以在OneNET平臺上收集到空氣質量的數據變化，如圖6所示。可以看出，凈化效果顯著，雖然由于傳感器偶然誤差和自動控制系統的震蕩等原因[15]，監測結果有一定的波動，但總體來看，PM2.5污染物含量最終降低了65.5%，最終含量約為22～24 μg/m3，低于環境空氣質量標準中規定的年平均值35 μg/m3[12]，達到了良好的凈化效果。

圖6 云平臺凈化效果圖

5 結 語

本設計與傳統凈化器設計相比，實現了自動控制、節約能源、實時反饋的作用，凈化效果優良，將智能控制，物聯網融入其中，該平臺使用操作簡單，人性化程度高。經過測試，具有良好的實用性和智能性，達到了較好的空氣凈化效果。

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Development of Intelligent Air Purification Platform

HAN Yuguang， FANG Jinbao， ZHANG Xianyi， WANG Yufan

(College of Information Science and Engineering, East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China)

In view of the increasingly serious environmental pollution problem and the urgent needs of people, an intelligent air purification platform is designed and developed. The system uses Arduino UNO3 MCU as the master chip to drive the PM2.5dust sensor and collect the air quality information. According to the data, it can be divided air quality into four levels: excellent, good, medium and poor, thus, speed of fan is controlled. LCD screen displays the current PM2.5index, while the ESP8266 WIFI module uploads PM2.5data to China Mobile Open Internet of Things platform. One can see the air quality with his/her mobile terminal. Compared with the traditional air purifier, intelligent purification platform can achieve the automatic control and power reduction, and it builds a network cloud platform, real-time purification information can be displayed on the web side and the mobile terminals. The experimental results show that the platform has good effect and stable performance, and achieves the expected functions of air purification and remote observation.

air purifier; intelligent control; internet of things (IOT); pulse width modulation (PWM)； anion purification

2016-10-27

2016年上海市級大學生創新創業訓練計劃(S16071)

韓宇光(1987-)，男，滿族，黑龍江哈爾濱人，碩士，實驗師，現主要從事檢測技術與自動化裝置研究和實驗室管理。

Tel.: 13761578221； E-mail:hanyuguang@ecust.edu.cn

R 122.3

A

1006-7167(2017)08-0077-03