基于物聯網的智能防霧霾新風系統設計

王進升

（中國科學技術大學附屬中學，安徽 合肥 230051）

基于物聯網的智能防霧霾新風系統設計

王進升

（中國科學技術大學附屬中學，安徽 合肥 230051）

針對霧霾問題日趨嚴重的情況，設計了一種基于物聯網的防霧霾新風系統。系統以單片機為核心，具備PM2.5檢測、煙霧檢測、濕度檢測、紅外探測檢測、溫度檢測等傳感器模塊，可根據環境狀況自動實現全熱交換新風或自然通風或智能加濕，可對盜賊越窗、小孩翻窗等情況發出報警，可對室內有害氣體濃度進行感知。環境情況通過物聯網上傳到云數據端，方便用戶進行信息的交互，提高了用戶的生活質量。

物聯網；防霧霾；全熱交換新風；智能家居

隨著國內霧霾天氣的發生趨于常態化，霧霾的監測與治理日益加強［1，2］。住宅室內裝修產生的污染物均存在超標現象，其中超標嚴重的污染物有CO2、甲醛和揮發性有機物TVOC（Total Votatile Organic Compounds）。可見，改善室內空氣品質是目前國內住宅亟待解決的一項重要問題［3］。相比而言，歐美住宅通常設置有集中新風系統，而國內普通住宅裝修基本沒有安裝新風系統［4］。

目前，家庭為改善空氣質量主要采用空氣凈化器和新風系統［5，6］。其中，空氣凈化器采用內循環的方式將密閉空間空氣中的細菌、污染物等吸附或慮出，以達到潔凈空氣的目的，其不足之處是無法獲得新鮮空氣。新風裝置能為室內提供源源不斷的新鮮空氣，其不足之處是需要安裝風道，風道穿越墻體或為了美觀需要吊頂，增加了工程量。為解決上述問題，本文設計了一種基于物聯網的智能防霧霾的新風系統。

1 系統整體方案

本設計是對原有家庭窗戶進行改造，普通家庭只需改造2扇窗戶即可。系統總體方案如圖1所示，即以STC89C52RC單片機為核心，由PM2.5檢測、煙霧檢測、濕度檢測、紅外探測檢測、溫度檢測等傳感器模塊、全熱交換新風、窗戶本體及機械傳動機構、供電模塊、加濕模塊、物聯網及用戶終端（如手機、電腦）組成。單片機核心控制模塊通過傳感器模塊采集室內外環境參數、窗戶安全信息檢測等信息，自動選擇機械傳動機構打開窗戶自然通風或是全熱交換新風、是否加濕等自動控制功能。用戶終端通過通信模塊、物聯網、無線傳輸模塊與單片機核心控制模塊建立信息交流和用戶指令的下達。電源模塊為整個智能防霧霾新風系統提供動力。

圖1 系統整體框圖

2 系統硬件設計

2.1 電源模塊

控制系統采用三端可調穩壓器CM317為各電路提供電源。CM317輸出電壓在1.2～36V范圍內可調，具有穩定度高、適應性強、使用方便的特點，適合多種方式的供電系統使用。

2.2 窗戶模塊

窗戶通常有平移式或轉動式，根據窗戶的開關方式選擇相應的機械傳動機構模塊。窗戶開關的動力來自電機，為了能對窗戶開啟幅度進行精確控制，選用步進電機。由單片機核心控制模塊直接發送控制指令給電機驅動模塊，控制步進電機的轉速、轉向和步數，經傳動機構實現窗戶本體的自動平移或轉動。

2.3 單片機核心控制模塊

系統核心控制模塊選用國內STC公司生產的STC12C5A60S2/AD/PWM單片機，其指令、管腳與8051完全兼容，片內自帶高達60K FLASH ROM，功耗低、速度快、抗干擾能力超強，片內集成專用復位電路MAX810，2路PWM，8路高速10位A/D轉換器，適用于電機控制及強干擾場合。與傳統的51單片機相比，其具有較大的存儲空間且支持串口直接下載程序，免去購買價格昂貴的專用編程器。

2.4 傳感器模塊

傳感器模塊的類型取決于用戶需求，采用模塊化設計。一般情況下，用戶需求包括：一是室內空氣污濁時，檢測室外空氣PM2.5、溫濕度情況，自動選擇與室外空氣的換流模式；二是天氣突變刮大風需要關閉處于開啟狀態的窗戶；三是窗戶遭遇物體撞擊或人員翻窗入戶時系統需要及時向用戶發出報警信號；四是天氣下雨需要關閉處于開啟狀態的窗戶；五是室內甲醛、CO、液化氣等有害氣體或可燃性氣體超標時需要自動開窗通風并及時提醒戶主。針對不同用戶需求，可開發出各種不同功能的傳感器分模塊，使用時插在總線端子上即可。

紅外防入侵檢測模塊選用主動紅外入侵探測器，包括發射機、接收機和報警控制器三個部分。發射機由電源、發光源和光學系統組成，接收機由光學系統、光電傳感器、放大器、信號處理器等部分組成。正常工況下，發射機發出的紅外光束被接收機收到后輸入到單片機的信號為高電平，不會啟動報警控制器；紅外光屬于不可見光譜，當有人翻窗入戶經過這條無形的封鎖線時，會全部或部分遮擋紅外光束，接收機輸出的電信號強度會因此產生變化，從而啟動報警控制器發出報警信號。

濕溫度檢測模塊選用單總線數字式DHT11傳感器，其由電阻式感濕元件、NTC測溫元件及高性能8位單片機組成，具有體積小、功耗低、響應速度快、抗干擾能力強、控制簡單等優點。

PM2.5的檢測模塊選用GP2Y1010AU0F型傳感器，由紅外發光二極管、光電晶體管及放大電路組成，屬于光學傳感器，即通過光學的反射原理檢測空氣中的塵埃，輸出脈沖模式的電壓信號。特點是能有效檢測非常細微的顆粒，如香煙煙霧，還可以區分屋內煙塵，適用于空氣凈化器、空調、空氣監測等。

2.5 用戶終端模塊

用戶終端模塊由GPRS通信模塊、物聯網及無線傳輸模塊組成。其中，物聯網模塊可實現智能手機APP實時數據查詢、云計算存儲、無線數據傳輸等功能。系統核心控制模塊經無線傳輸模塊、物聯網及通信模塊與終端手機平臺進行監控信息的交互及控制指令下達。

2.6 全熱交換新風模塊

全熱交換新風換氣機由熱回收裝置、雙向流風機、過濾器、加濕或除濕器等構成，具有雙向換氣和高效節能的優點。

①雙向換氣。內置送、排風機，在進風和排風系統都有風機和管道，通過進風風機往室內送風，排風風機往室外排風，新風雙向等量置換，保持室內有足夠的新鮮空氣。同時，換氣機配置不同過濾材料，對新風中PM2.5進行過濾處理。

②高效節能。與普通的換氣機不同，全熱交換器在室外空氣引入室內前與室內引出室外的空氣進行熱交換，室外空氣預冷或預熱后再引入室內，降低了室內的溫度損耗，節省冷暖氣的費用。

3 系統軟件設計

系統軟件包括主程序和中斷服務子程序，主程序的作用是實現初始化和LCD顯示，然后進入循環等待狀態，其他功能由中斷服務子程序實現。單片機檢測各種傳感器傳遞過來的信號，根據用戶的控制指令，進行數據的存儲、分析，并將處理的結果經物聯網傳遞到用戶終端手機，用戶可根據獲得的信息遙控窗戶啟閉或新風系統。系統程序用C語言編譯，在Keil環境下開發，采用模塊化的設計方法，實現的功能主要有以下幾方面。

①當室內甲醛、CO、液化氣等有害氣體或可燃性氣體超標時，自動打開窗戶和新風系統，并發出報警信號，防止室內人員發生有害氣體中毒或火災事故，并將短信發送給戶主。

②當檢測空氣質量良好時，會自動開窗通風。若天氣下雨，濕度傳感器會將檢測到的信息傳遞給單片機，單片機發出電機控制信號，驅動機械裝置實時關窗并進行報警。

③當空氣質量不佳時，自動啟動新風系統。新風系統使用的是凈化型全熱交換器，其雙向流風機保證室內進風和排風進行等量置換，而熱回收裝置使雙向置換通風過程中產生能量交換，降低了新風預處理的能耗，達到節能換氣的目的，同時附加了三重過濾網，將室外到室內的新風通過初效、活性炭、hepa高效濾網進行PM2.5、甲醛、霧霾、細菌粉塵等凈化后再送到室內。

④當室內空氣干燥時，加濕器會自動開始加濕工作。

⑤當盜賊欲翻窗入戶行竊時，經過紅外發射接收通道，會全部或部分遮擋紅外光束，接收機輸出的電信號強度產生變化，從而啟動報警裝置，提醒戶主有人行竊。同理，室內人員翻窗，也會影響接收機收到紅外光束的強弱，啟動報警裝置，可以有效預防小孩翻窗而發生的意外事故。

⑥系統的判斷行為及結果可傳送至用戶手機，環境的數據情況通過物聯網上傳到云數據端，方便用戶通過網絡平臺進行遠程干預和遙控。

根據系統實現的功能要求，系統軟件框圖如圖2所示。

4 結語

本文設計的基于物聯網智能防霧霾全熱交換新風系統，通過智能模塊自動采集傳感器通道信息，根據室內外環境溫度、濕度、PM2.5等信息作出自然通風還是全熱交換新風的判斷，控制防霧霾新風系統的開啟或關閉；根據紅外檢測信息，監控窗戶的實時狀態信息；通過物聯網與用戶終端建立人窗交互，用戶可以隨時隨地掌握家庭情況，提高用戶生活質量。

圖2 系統軟件設計框圖

［1］魏嘉，呂陽，付柏淋.我國霧霾成因及防控策略研究［J］.環境保護科學，2014（5）：51-55

［2］張荔，仇錦波.霧霾的成因及其危害與防制對策［J］.學理論，2015（8）：28-29.

［3］葉霖.中央新風系統在住宅中的應用［J］.住宅與房地產，2016（12）：273，292.

［4］范文良，李兵尚.基于物聯網信息平臺的智能窗戶設計［J］.微型機與應用，2015（19）：58-59，63.

［5］戴旭.健康住宅的新風系統節能設計［J］.中國住宅設施，2014（7）：76-82.

［6］崔斌.全熱交換新風系統節能戶型設計研究［J］.科技創新與應用，2015（22）：253.

Design of Intelligent Anti-fog and Haze New Air System Based on the Internet of Things

Wang Jinsheng
（The Middle School Affiliated to University of Science and Technology of China，Hefei Anhui 230051）

Aiming at the increasingly serious haze problem,a new anti-fog and haze air system based on In?ternet of things is designed.The system adopts single chip microcomputer as the core,and possesses PM2.5 detection,smoke detection,humidity detection,infrared detection,temperature detection and other sensor modules.The whole heat exchange fresh air or natural ventilation or intelligent humidification can be realized automatically according to the environmental conditions.It can alarm when thieves or the child crossing window.It can be perceived for indoor harmful gas concentration.The environment is uploaded to the cloud data terminal through the Internet of things,which facilitates the user to interact with the infor?mation and improves the quality of the user's life.

internet of things；anti-fog and haze；full heat exchange fresh air；smart home

TP273

A

1003-5168（2017）12-0036-03

2017-11-01

王進升（2000-），男，研究方向：互聯網技術。