基于無線監控的離子水霧化加濕系統設計

張登明， 陳家新， 陸紀勛

(東華大學，上海 201620)

基于無線監控的離子水霧化加濕系統設計

張登明， 陳家新， 陸紀勛

(東華大學，上海201620)

基于現有霧化加濕系統，結合無線物聯網技術、電解水技術和傳感器檢測技術，并對離子水霧化裝置進行了研究，提出并設計了基于無線監控的離子水霧化加濕系統，可實時監測室內外溫濕度，并通過無線物聯網技術對離子水發生裝置和其他溫控設備進行控制，還可以在加濕過程中對病原體進行有效抑制或殺滅，達到環境保濕和預防病原體滋生的作用。

無線通信； 電解水； 降溫保濕； 消毒殺菌

0 引 言

傳統的加濕裝置控制方式單一，缺少實時檢測和動態調節環節，對空氣和霧化液的消毒效果不理想[1]。

通過對離子水施加高壓電場，可有效增強電解水的殺菌消毒性能[2]。離子水最終可還原成普通水，不會對環境造成任何污染。本文介紹了離子水的環保殺菌特性，并結合現代傳感器技術，搭建無線物聯網智能監控平臺，設計并實現了一種基于無線監控的離子水霧化加濕系統。

1 離子水的滅菌機理

傳統離子水通過電解一定濃度的NaCl溶液制備。電解產生酸性離子水主要用于消毒，但同時會流失堿性離子水[3]。本文可將電解得到的離子水全部用于殺菌消毒且無任何化學殘留。通過增大電解槽的電極面積，合理的設計電解槽結構有效提高了電解效率。

采用陽離子隔膜電解槽，經電解后兩極產生兩種離子水。陽離子交換膜只允許陽離子通過，陰極側的陰離子及還原物質均無法通過[4]。根據USA20110121110研究證實：酸性離子水和堿性離子水混合液短時間內仍然具有較理想的滅菌消毒效果[5]。將兩種離子水混合后霧化，在霧化噴頭處外加一個高壓脈沖電場，充分利用離子水的導電性傳遞電荷，建立一定強度的高壓電場，增強了滅菌消毒能力。

2 系統整體結構與工作原理

2.1 系統的整體結構

圖1為裝置的系統框圖。系統結構主要包括：智能終端、路由器、無線通信模塊、傳感器模塊、主控板模塊和離子水制備模塊。其中，通過單片機控制無線通信模塊、傳感器模塊和電解模塊進行數據的采集和處理。以上3個模塊和主控板構成一種裝置。每種裝置相同，功能相同，但操作和監控獨立。

圖1 系統框圖

2.2 系統的工作原理

使用前根據房間的實際面積和使用環境，通過監控終端進行參數設定。加濕系統根據實際情況對加濕量做出計算，并控制電解裝置運行。系統運行過程中，各個傳感器模塊將實時采集的數據經單片機整合處理后，由無線通信模塊傳送至路由器，再經路由器發送到監控終端。用戶可根據實際需求自行設定系統自動加濕或手動加濕，系統會通過預先設定的離子水霧化程序對裝置進行控制。系統的傳感器檢測與霧化加濕過程同時進行，形成實時的數據采集和動態的反饋調節。電解裝置收到電解信號后，開啟開關閥門給裝置供水，同時電解槽電極通電電解，后經高壓電場對電解后的離子水使能，最終霧化噴射。整個溫濕度檢測過程和加濕過程循環進行。

3 系統硬件結構設計

3.1 裝置設計

本設計的離子水發生裝置直接電解自來水制備離子水，對電解電壓和電解電流等方面均有極高的要求，基于對國外高效離子水發生裝置的研究[6]，進行了結構優化，電解裝置如圖2所示。選用大面積鈦網電極，隔膜式電解槽進行電解。選用鈦網電極不但增加了電極的表面積，而且提高了電解效率。同時裝置的陰、陽電極緊貼在離子交換膜兩側，促進了離子交換。電解槽供電使用自倒極供電模式，能減少電極表面結垢，提高電解效率，延長使用壽命。在電解裝置的霧化噴射處施加單電極的高壓電場端子，通過對噴射的μm級的離子水霧使能，在一定范圍建立一定強度的電場[2]。高壓電場裝置與霧化噴頭一體化設計，利用離子水的導電性能傳遞電荷，可有效提高離子水的消毒殺菌效果[7]。

圖2 離子水發生裝置

控制系統原理如圖3所示，主控板接收來自無線模塊的信號，電磁閥打開,電解電路開始運行，控制電解槽驅動電路和高壓產生電路，LED指示燈閃爍提示運行狀態。

圖3 控制電路原理框圖

3.2 傳感器模塊選擇

傳感器應滿足功耗低，成本低，穩定性好，使用壽命長等要求。選用貼片型溫濕度傳感器SHT11,濕度測量范圍[8]0%～100%RH；溫度測量范圍-40～123.8℃;濕度測量精度±3%RH;溫度測量精度±0.4℃，其具有在同類產品中低價格和高精度的特點[7]。無線模塊選用ESP8266，具有較好的抗干擾性能，開發便捷特點。

4 系統軟件設計

4.1 無線通信模塊設計

無線通信模塊用于主控板與智能終端的信息通信。無線模塊和智能終端間的通信流程如圖4所示。

圖4 通信流程

4.2 主控板的設計

主控板模塊是整個系統設計的重要組成部分，主控板連接系統的4個主要功能模塊：主程序模塊、電解模塊、傳感器模塊和高壓電場生成模塊。通過控制面板對室內加濕環境進行設定，例如房間面積，人員流動量和環境參數等。設定單位時間噴射量，可通過調節霧化時間控制加濕量。根據濕平衡計算出需要的加濕量。加濕器的加濕量、人員的散濕量、其它設備的散濕量及進入室內的濕量與從室內排出的濕量之差應等于室內濕量的變化率[1]，如式(1)

W+W1+W2+G·dw=G·dndτ

(1)

式中W為加濕器的加濕量，g/h;W1為室內人員的散濕量，g/h;dw為室外空氣的含濕量，g/kg;W2為其它裝置的散濕量，g/h;G為進入室內的空氣量，g/h;dn為室內空氣的含濕量，g/kg;τ為時間，h。在穩定狀態下,由式(1)得

W=G·(dn-dw)-W1-W2

(2)

由式(2)可見,房間內需要的加濕量與進入室內的空氣量、室內外空氣含濕量、室內人員及設備散濕量有關。在冬季，由于室外空氣的含濕量dw小于室內空氣的含濕量dn,而人員的散濕量又比較小,在不考慮W2的條件下[1],通過對環境的舒適度檢測統計后，可確定最適宜的溫濕度范圍。20m2房間大約需要270mL/h的加濕量，40～50m2的房間大約需要540mL/h的加濕量。加濕時間可根據式(3)確定

T=Qq+c

(3)

式中T為加濕器的加濕時間，s;Q為室內所需的散濕量，mL;q為加濕器的噴射量，mL/s；C為其他環境因素參數。

運行過程中，房間參數經無線模塊發送給單片機，單片機將實時采集溫濕度到的數據與設定數據進行比對，并判斷是否開啟加濕器。主控程序流程如圖5。

圖5 主控板程序流程

4.3 系統監控界面設計

監控界面采用基于LabVIEW的設計[7]。監控界面如圖6，界面依據家庭式一室一廳規劃進行設計。通過界面，設定房間的基本參數和溫濕度預警范圍，獨立監控每個房間的溫濕度和加濕器狀態，由雙曲線直觀顯示房間內的環境參數的變化。裝置在自動模式下，系統根據預設溫濕度預警范圍控制電解模塊的運行狀態；在手動模式下，用戶可以手動控制加濕器，調節舒適的環境濕度，設定濕度預警范圍。手動模式優先級均高于自動模式。

圖6 監控界面

5 結束語

裝置是基于無線物聯網技術、離子水霧化加濕技術和現代傳感器技術結合的產物，能達到消毒滅菌，降溫保濕的功能。在測試過程中，裝置能準確實時檢測室內外溫濕度，并能夠按照設定的調節范圍對空氣進行加濕，實時的環境參數可通過電腦觀察，動態反饋調節過程明顯。同時，裝置能達到預期的殺菌和清潔空氣的效果，經實驗測試，相對傳統的加濕器裝置的效果提高了5倍以上。可在現有研究的基礎上，通過裝置預留的傳感器接口增加外部傳感器數量，擴大檢測的范圍和種類，調節更加舒適的室內溫濕度。

[1] 尚豐偉，李永安，孫大隆.介紹一種新型加濕器的研制和運用[J].制冷,1997(2)：68-71.

[2] 王國卿，陳 琦.酸氧化電位水的實用研究[J].中華醫院感染學雜志,2002(12):920-922.

[3] 陳玉柱.基于單片機控制的離子水去污消毒裝置的研究與開發[D].上海：東華大學，2013：1-2.

[4] 王三反，完顏華，張國俊，等.離子遷移途徑及選擇透過性的理論修正[J].蘭州鐵道學院學報：自然科學版，2000(3)：72-75.

[5] Bruce F.Method and apparatus for applying electrical charge through a fluid with a sinusoidal waveform having at step discontinuity: US,20110121110[P].2011—01—06.

[6] 宋海聲，蘇小蕓 趙曉林.基于LabVIEW平臺的智能電子鼻系統[J].傳感器與微系統，2015,34(5):87.

[7] 胡 最，陳 影.鷹眼導航功能的原理與實現[J].衡陽師范學院學報，2009,30(9):122-124.

[8] 雷志東，張曉林.一種基于三模冗余的智能復合傳感器設計[J].現代電子技術，2014(3):80-83.

Designofionwateratomizinghumidificationsystembasedonwirelessmonitoring

ZHANG Deng-ming， CHEN Jia-xin， LU Ji-xun

(DonghuaUniversity，Shanghai201620，China)

Based on existing atomizing humidification system and combined with wireless networking technology,water electrolysis technology and sensor detection technology,through study on ion water atomizing device,put forward and design ion water atomizing humidification system based on wireless monitoring. The system can monitor indoor and outdoor temperature and humidity and monitor the running state of the ion water generation device and other temperature controller devices via wireless Internet of things(IoT) technology. It can also effectively control or kill pathogens in the process of humidification so as to achieve environment moisturizing and pathogens preventing.

wireless communication; electrolytic water; cooling moisture; disinfection

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0102—03

2016—10—25

TP 212

A

1000—9787(2017)10—0102—03

張登明(1992-),男,通訊作者，碩士研究生,研究方向為機電系統與智能測控，E—mail:zhangdmmail@sina.com。陳家新(1967-),男,博士，教授,主要從事電力電子變換器、電機設計及其智能測控等研究工作。