基于物聯網技術的空氣凈化器系統軟件設計

王小雪，未 平，張玉芳，朱仁進，楊小雨，楊會成

(安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000)

近年來，已經有很多公司為家用或辦公用電器(包括空氣凈化器)進行物聯網控制或改造.總體而言，物聯網技術尚處于起步階段，但是物聯網技術市場的成熟度和廣度正在不斷成長[1-2].目前，包含物聯網概念的空氣凈化器原型在市場上已有雛形，主要存在以下不足：空氣流動速度是固定的，不管空氣中的污染物和空氣質量如何，空氣凈化器按設定的負荷運轉，這種作業模式不合理且浪費能源；接觸式操作以調控其作業狀態；功能單一[3].空氣凈化器的干預可以顯著減少室內PM 2.5水平，被人們一致認同[4].因此，開發一種基于物聯網技術，集空氣凈化器和空氣質量檢測于一體的互聯網+空氣凈化器系統軟件是非常必要的[5].將基于物聯網技術的空氣凈化器，結合PM 2.5檢測，由單純的空氣凈化器變為融合空氣凈化器、空氣質量檢測節點和網絡接入節點的綜合體.

1 系統實現原理及要求

1.1 系統實現原理

設計一種復合型雙重凈化類空氣凈化器，同時擁有被動吸附過濾式的濾網過濾技術和主動式的紫外殺菌技術.空氣凈化器通過風機將外部空氣吸入，通過前置濾網將空氣中的微生物、粉塵等部分顆粒狀物質濾除，通過紫外燈祛除其中甲醛、苯等有毒氣體，再由出風口送到周圍環境.家用型的空氣凈化器使用220 V的工頻電，為了保證工作時的低噪音，盡量使用無噪音的主動式空氣凈化技術，以及實時檢測空氣質量與聯動機制，保證當空氣質量在一定閾值以下時，部分或全部工作模塊進入停止工作的狀態.與此同時，還達到了節能的效果.考慮到部分使用者在特定的時間與場合下，不愿或不能到達空氣凈化器前通過按鍵對空氣凈化器發出一定的指令，故而設計了Wi-Fi通信和控制指令，同時為后續Android平臺與IOS平臺的控制程序預留了接口.針對大多數空氣凈化器采用人工調節節能，提出使用智能單元，通過檢測空氣中污染物濃度，協同電機和紫外燈工作，在達到同樣的凈化效果的前提下，調整空氣凈化器的運行功率，以達到節能降耗的目的.使用Wi-Fi通信，UDP通信協議與其他中繼節點或上位機通信，進行遠程遙控操作，利用最常見的無線通信方式作為通信手段，減少了額外的組網成本，致力于控制邏輯層面和硬件BSP層的實現和測試.

研究設計的空氣凈化器，最大的耗能組件是風機和紫外燈.風機的軸功率(P)是轉速(n)的3次冪函數關系.從節能角度考慮，讓風機長時間低速運轉可能比風機短暫的全速運行后回到低速運行狀態更加節能，但是后者的環境敏感度更高.當然，在空氣環境極度惡劣的條件下，空氣凈化器依舊處于低速運轉狀態也不合理.所以需要通過傳感器去判斷外界環境參數，從而調整自身運轉速度.因此，在風機控制方案中，變頻調速應為首選方案.對于紫外燈的控制方案則選擇了比較傳統而又簡單的二值控制.在需要紫外線殺菌和催化時，開啟紫外燈，實現相應的功能.紫外燈的消耗功率是恒定的，但由于其打開時，瞬間電流過大，對其觸點有著極大的損耗，所以其控制方案采用帶遲滯的二值控制[6].

風機的控制方案模型采用帶擾動的PID控制模型，其中的擾動表示為環境中的PM 2.5參數非理想變化以及人為的調速控制輸入，使得誤差值和設定值發生改變.使用STM32單片機對整個系統進行協調和控制，包括兩個單獨控制的控制對象——風機和紫外燈，還有Wi-Fi和按鍵等擾動輸入.用ZPH01 PM 2.5傳感器檢測環境數據，作為控制決策的選擇依據[7].控制決策發生變化時，所有的控制參數均會發生相應的改變，以符合新決策的實施.兩個獨立控制對象的調控是在總體決策的指導干預下完成的，彼此獨立，但在計算實時控制參數的過程中相互關聯，這樣既能保證控制的效果，又能保證控制方案的可實現性[8-9].

研究涉及控制邏輯和上位機部分的設計，其針對的硬件平臺主要部件及其相互連接關系如圖1所示.

1.2 系統要求

全系統可以實現無人值守，參數設定、參數修改和系統查看均可通過上位機或自帶人機交互界面進行，實現智能化、網絡化和信息化，風機在切換檔位時的過渡時間小于2 s.

2 系統硬件組成

2.1 STM32F103 VET6

STM32F103 VET6單片機屬于STM32F103xx增強型系列，使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，支持單周期乘法和硬件除法，支持內部鎖相環倍頻，工作頻率最高可達72 MHz，豐富的增強I/O端口，內置高速存儲器和連接到兩條APB總線的外設.其工作電壓處于2.0 V至3.6 V之間，環境溫度要求在-40 ℃～105 ℃之間，帶有一系列省電模式能確保低功耗應用的要求.

2.2 ZPH01 PM 2.5傳感器

該傳感器整合了成熟的VOC檢測技術與先進PM 2.5檢測機理，可以實現對VOC和PM 2.5的同時檢測.傳感器模組中的VOC檢測對甲醛、苯、一氧化碳、氨氣、氫氣、酒精、香煙和香精等有機揮發氣體具有極高的靈敏度.PM 2.5檢測采用粒子計數原理，可靈敏檢測直徑1 μm以上灰塵顆粒物.使用UART輸出，輸出格式為9 600 bps，8位數據位，1位停止位，無校驗位，并在模塊中固化，每隔1 s向外發送數據.

2.3 RM04 Wi-Fi通信模塊

基于通用串行接口且符合網絡標準的嵌入式模塊，內置TCP/IP協議棧，實現用戶串口與無線網接口之間的轉換.通過HLK-RM04模塊，傳統的串口設備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet網絡傳輸數據，通信模式示意圖如圖2所示.此通信模式支持IEEE 802.11n、IEEE 802.11g和IEEE 802.11b協議.

圖2 通信模式示意圖

2.4 人機交互

通過OLED可以顯示當前的PM 2.5值，方便用戶觀察實時數據.通過按鍵和LED實現近距離交互式系統設置，方便不同群體(老年人用戶)的操作.在硬件模塊中設置2個LED和2個按鍵，通過按鍵實現對檔位的增和減，2個LED通過3種不同的亮燈組合，表示高中低3個檔位.

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件功能設計

上位機軟件程序負責系統的監控、數據匯總、顯示、提供人機界面、接受用戶的操作，最重要的一點是實現遠程無線操作和監控的功能.上位機作為一個交互的界面與平臺，提供圖形化的操作界面，通過后臺對前臺信息進行編碼、判斷及處理.

使用TCP/IP協議簇，利用現有網絡通信，降低控制端的額外成本.利用現有的電腦、手機、PDA等一切支持IPV4/IPV6協議的設備，從而降低控制端對于硬件上的要求和成本，同時也能節省無線信道資源.使用2.4 GHz公共頻段，降低對其他無線信道的干擾問題和實現無線通信的技術實現成本.上位機軟件本身的底層功能不多，接收下位機通過Wi-Fi傳輸過來的數據，并通過軟件比對解析，調用相應的處理機制進行后續操作.

設計采用.NET平臺，使用C#語言，利用維護簡單的UDP協議編程，降低開發成本.使用其中的UDP庫完成UdpClient的創建、設置和維護，并建立UDP通信，收發數據包，UDP使用IP協議為基礎，面對無連接的網絡通信協議，提高了連接的使用效率，同時還降低了其維護成本，實現數據的實時交互[10].

3.2 系統軟件功能的實現

下位機軟件程序負責對上位機發送指令的解析和響應，并及時反饋各種狀態給上位機，以供其進行決策(包括對風機和紫外燈的控制策略).主程序通過對HAL層的API調用，完成對硬件的讀寫操作，HAL層的API主要以讀寫為主，通過函數封裝成具體的操作指令函數，便于應用代碼的編寫和調試.

通過對上位機發送指令字符比對，得到字符所包含的真實信息和指令，對這些信息和指令分析、判斷和執行相應的動作.如果通過比對發現在本地指令庫中其所對應的狀態與現有狀態相一致，則會返回錯誤信息，告知上位機，提示其指令重復，同時將該指令拋棄，讀取或等待下一條指令.使用定時器計數獲得電機控制中PID控制方案的反饋量，并每隔一個固定的時間對其讀數清零.為防止計數的定時器數據溢出導致反饋失效，對上一次對其讀數清零后的溢出中斷發生次數進行統計，讀數時，將其相對應的脈沖數進行累加統計，得到真實的反饋量.為了保證PID控制運算輸出量在有效控制的前提下，并保持節能的效果，采用飽和處理，防止在有較大擾動的環境中出現高能耗的情況.

圖3 系統功能模塊框圖

系統功能模塊總框圖如圖3所示.下位機軟件使用STM32F103作為硬件環境，在開發時使用STM32 V3.5的固件庫，方便開發.在軟件邏輯控制部分代碼書寫過程中，遇到一些改變標志位的操作，為了簡明直接，并不使用API函數封裝調用，而是直接在應用層中將其值進行讀改寫的操作，同時也降低了函數跳轉的額外CPU資源開銷.

下位機軟件在各種狀態發生變化的時候，會刷新相應的記錄量和標志位，通過原子操作的方法，保證讀寫記錄量和標志位與空氣凈化器實際運轉狀態保持一致.人機交互使用按鍵、LED和OLED屏，其中按鍵作為輸入設備，LED燈和OLED屏作為輸出設備.按鍵使用外部中斷進行響應，提高實時響應速率，能保證交互過程的使用體感.

3.3 風機控制模塊

風機控制采用PID控制策略，其實現程序流程圖如圖4所示.實現風機控制模塊的關鍵代碼見附件1.

圖4 風機控制流模塊流程圖

4 結束語

設計了一種基于物聯網技術的室內空氣智能凈化系統.利用STM32F103VET6單片機控制原理，結合PM 2.5檢測器、Wi-Fi通信和UDP通信協議實現融合空氣凈化器、空氣質量檢測節點和無線網絡接入節點的智能家居綜合體.該空氣凈化系統具有智能化、網絡化以及人性化的特點，其不僅擁有凈化空氣的能力，同時具有空氣質量檢測的功能.物聯網技術在空氣凈化系統中的應用也能讓其更智能地控制和管理，給更多的用戶帶來更加舒適、高效和便捷的家居生活.

附件1 風機控制模塊的關鍵代碼：

void PID_realize(float speed)

{

int index;

pid.SetSpeed=speed;

pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;

if(pid.ActualSpeed>pid.umax)

{

if(fabs(pid.err)>200)

index=0;

else

{

index=1;

if(pid.err<0)

pid.integral+=pid.err;

}

}

else if(pid.ActualSpeed

{

if(fabs(pid.err)>200)

index=0;

else if(fabs(pid.err)<180)

{

index=1;

if(pid.err>0)

pid.integral+=pid.err;

}

else

{

index=(int)(200-fabs(pid.err))/20;

if(pid.err>0)

pid.integral+=pid.err;

}

}

else

{

if(fabs(pid.err)>200)

index=0;

else

{

index=1;

if(pid.err>0)

pid.integral+=pid.err;

}

}

pid.voltage=pid.Kp*pid.err+index*pid.Ki*pid.integral/2+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);

pid.err_last=pid.err;

pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;

}

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