基于物聯(lián)網(wǎng)的智能新風(fēng)系統(tǒng)的研究

劉乾 信向譽(yù) 孫德欣 孫昭意

摘 要：隨著空氣質(zhì)量的惡化、霧霾的肆意橫行、人們對(duì)空氣質(zhì)量的擔(dān)憂，一種小型的智能新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。簡(jiǎn)要分析了傳統(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)和不足，并在傳統(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造和升級(jí)。巧妙運(yùn)用了傳感器裝置和WIFI智能控制裝置，通過液晶屏將檢測(cè)到的室內(nèi)溫濕度、PM2.5含量、VOC（有機(jī)物）含量直觀顯示出來，一旦室內(nèi)有毒氣體含量超標(biāo)便會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行換風(fēng)處理。為了完成智能的檢測(cè)與控制，我們提出了基于Android手機(jī)用戶端的智能新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究。本設(shè)計(jì)以智能小巧，價(jià)格低廉為亮點(diǎn)，方便家庭室內(nèi)的安裝與使用。

關(guān)鍵詞：新風(fēng)系統(tǒng);互聯(lián)網(wǎng);WiFi技術(shù);智能控制;報(bào)警裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.126

1 引言

如今，霧霾天氣在冬季和春季頻繁出現(xiàn)，使得人們開始對(duì)空氣質(zhì)量問題越來越擔(dān)憂。除此，室內(nèi)新裝修的房屋會(huì)產(chǎn)生多種致癌物如甲醛等氣體也使得人們對(duì)裝修后室內(nèi)的空氣提出了更高的要求。所以，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量已經(jīng)成為目前急需解決的問題。家庭中普遍采用的空氣凈化器依然存在著許多問題，如：采用內(nèi)循環(huán)的方式無法提供室外的新鮮空氣、占地空間大、安裝需要破壞墻體、價(jià)格昂貴。為解決上述問題，我們?cè)趥鹘y(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)出了一款小型家用智能新風(fēng)系統(tǒng)，低成本且安裝便捷。

通過對(duì)傳統(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)的分析與研究，我們看到了還存在許多不盡如人意的方面。近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛，智能家居逐漸火熱起來，我們想到了新風(fēng)系統(tǒng)的智能控制和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行接入，從而實(shí)現(xiàn)用戶在手機(jī)上實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)控室內(nèi)的狀況。同時(shí)，隨著人們需求越來越多元化，我們加入了溫濕度檢測(cè)、PM2.5的檢測(cè)、VOC的檢測(cè)等常見的環(huán)境傳感裝置。本項(xiàng)目就在考慮到人們的各種需求，把新風(fēng)系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中，利用現(xiàn)在越來越普及的智能手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己家中的各種數(shù)據(jù)。在兼顧產(chǎn)品的功能的時(shí)候，考慮到了成本的問題。因此本設(shè)計(jì)無論是在材料的選購(gòu)還是安裝上面都考慮了經(jīng)濟(jì)性和大眾性。產(chǎn)品功耗低、省電，并且采用附著的方式，安裝方便、占地空間小，適合在新舊住宅區(qū)的安裝。可以預(yù)測(cè)在不久的未來傳統(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)將會(huì)逐步淘汰，進(jìn)而被智能新風(fēng)系統(tǒng)所取代。

2 智能新風(fēng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于控制器集成板。控制器集成板的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電源模塊、顯示屏、報(bào)警模塊、灰塵檢測(cè)模塊、溫濕度采集模塊、氣體傳感模塊、WiFi模塊等幾大部分。新風(fēng)系統(tǒng)可以分為三個(gè)階段：監(jiān)測(cè)過程、控制過程和執(zhí)行過程。通過傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)凈化過程，中心控制單元來控制電力驅(qū)動(dòng)裝置，達(dá)到換風(fēng)的目的。室外新鮮空氣與室內(nèi)空氣混合進(jìn)入新風(fēng)機(jī)，經(jīng)初效過濾網(wǎng)阻擋毛發(fā)、灰塵、PM10等大顆粒懸浮物，再經(jīng)過高效過濾網(wǎng)過濾細(xì)小顆粒物，盡可能降低出風(fēng)口PM2.5的百分含量。同時(shí)各個(gè)模塊采集信息并在液晶屏上顯示數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)的功能。CPU得到傳感器模塊檢測(cè)的信息，然后將信息通過無線網(wǎng)送入服務(wù)端口，客戶通過手機(jī)遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器，實(shí)時(shí)查詢當(dāng)前室內(nèi)PM2.5含量，VOC含量以及有毒氣體的含量，從而客戶根據(jù)當(dāng)前的室內(nèi)環(huán)境狀況來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊

為了滿足同時(shí)為風(fēng)機(jī)，單片機(jī)以及wifi模塊供電，采用低功耗并且具有過載短路保護(hù)功能的220V轉(zhuǎn)5V和220V轉(zhuǎn)3.3V的AC-DC降壓電源模塊HLK-5M系列，保證各個(gè)模塊正常可靠的工作。

3.2 單片機(jī)核心控制模塊

本設(shè)計(jì)采用STC89C52RC單片機(jī)，含有8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，內(nèi)置4KB EEPROM，看門狗定時(shí)器，MAX810復(fù)位電路，全雙工串行口，并且含有32位I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)。另外，STC89C52RC單片機(jī)還可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作。在空閑模式下，CPU停止工作，仍然允許RAM、中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口繼續(xù)工作。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選。此模塊在本設(shè)計(jì)中起著重要作用，需要對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且向執(zhí)行模塊發(fā)送指令。

3.3 傳感器模塊

傳感器模塊的設(shè)計(jì)是基于STC89C52單片機(jī)的控制系統(tǒng)，通過選擇不同模塊的傳感器來檢測(cè)PM2.5的含量、溫濕度和VOC的含量，實(shí)現(xiàn)功能的多樣化，滿足用戶的需求。

溫濕度檢測(cè)模塊采用DHT11傳感器，來可以檢測(cè)周圍環(huán)境的溫度和濕度，溫度測(cè)量范圍為0度-50度，可以以數(shù)字形式輸出數(shù)據(jù)。

PM2.5檢測(cè)模塊是基于光學(xué)原理的粉塵傳感器，其在檢測(cè)非常細(xì)的顆粒的時(shí)候是較為有效的，價(jià)格較低，并且常用在空氣凈化系統(tǒng)中。在此裝置中，含有紅外發(fā)光二極管和光電晶體管各一個(gè)，裝置定向發(fā)射LED光，通過檢測(cè)經(jīng)過空氣中灰塵折射過后的光線進(jìn)而判斷灰塵的含量。

VOC傳感器模塊采用MQ135氣體傳感器。該傳感器不僅對(duì)氨氣、苯系蒸汽的靈敏度較高，而且對(duì)煙霧和其它有害氣體的檢測(cè)也很理想，此傳感器成本較低，適合于多種應(yīng)用。

3.4 風(fēng)機(jī)以及安裝模塊

通常新風(fēng)系統(tǒng)的安裝是在房屋裝修的時(shí)候進(jìn)行的，這樣不僅可以較好的完成新風(fēng)系統(tǒng)的安裝而且不會(huì)影響到室內(nèi)的裝修設(shè)計(jì)。但是通常人們?cè)谘b修的時(shí)候往往沒有考慮新風(fēng)系統(tǒng)的安裝。為了解決這樣的問題，文章設(shè)計(jì)了采用附著的安裝方式。同時(shí)為了節(jié)省寶貴的室內(nèi)空間，文章設(shè)計(jì)了具有集成度高、無需鋪設(shè)管道適用于裝修后的房子、體積比傳統(tǒng)的新風(fēng)系統(tǒng)更小的智能新風(fēng)系統(tǒng)。新型新風(fēng)系統(tǒng)采用附著安裝，對(duì)于房子的戶型以及室內(nèi)狀況沒有太多的要求，僅僅需要在其背后打上兩個(gè)孔就可以了。

4 系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)

目前的智能化家居不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的新風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)逐漸退出競(jìng)爭(zhēng)的舞臺(tái)。因此，為了迎合國(guó)人的這種需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種智能化的新風(fēng)系統(tǒng)。新風(fēng)系統(tǒng)以模糊控制實(shí)現(xiàn)智能控制調(diào)節(jié)，通過WIFI模塊接入路由器，進(jìn)而接入網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)文章采用eclipse中的GUI交互式界面為軟件平臺(tái)，通過Java語言對(duì)APP顯示界面以及WiFi模塊與單片機(jī)主控電路的連接達(dá)到顯示數(shù)據(jù)的目的。用戶通過手機(jī)遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器，實(shí)時(shí)查詢當(dāng)前室內(nèi)PM2.5含量，VOC含量以及有毒氣體的含量，從而可以通過當(dāng)前環(huán)境狀況來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)新風(fēng)系統(tǒng)的開關(guān)和風(fēng)量大小的智能調(diào)節(jié)，真正做到了WIFI模塊與手機(jī)APP的智能連接。

5 結(jié)語

智能新風(fēng)系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)的缺陷，實(shí)現(xiàn)了通過WIFI模塊進(jìn)行智能調(diào)節(jié)的功能，并且具有不用鋪設(shè)管道，占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)無法做到的，并且智能新風(fēng)系統(tǒng)的安裝便捷，花費(fèi)較少，智能化程度高，在大多數(shù)場(chǎng)合都能應(yīng)用得到。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)的環(huán)境狀況，本文以室內(nèi)新風(fēng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出智能控制加物聯(lián)網(wǎng)的新風(fēng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案。這樣既實(shí)現(xiàn)了人們對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)，又方便用戶通過手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。智能新風(fēng)系統(tǒng)可以隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的升級(jí)而進(jìn)行換代。并且適用于各種場(chǎng)所，很大程度符合了實(shí)際應(yīng)用的要求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：劉乾（1998-），男，河北衡水人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化研究。