一種建筑室內(nèi)用人工智能空氣監(jiān)控系統(tǒng)

任偉

摘 要：隨著人工智能時代的來臨，結(jié)合智慧城市建設(shè)，智能建筑迎來了發(fā)展的高潮;國家政策的支持、行業(yè)巨大的潛力、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)與應(yīng)用，為人們解決建筑的智能化問題奠定了很好的基礎(chǔ)。目前建筑室內(nèi)空氣監(jiān)控系統(tǒng)智能化水平較低，不能夠?qū)κ覂?nèi)環(huán)境參數(shù)做出智能化監(jiān)控，操作維護(hù)不便。為了解決這個問題，設(shè)計一種建筑室內(nèi)用人工智能空氣監(jiān)控系統(tǒng)，用于智能建筑室內(nèi)安裝，可以在空氣質(zhì)量上實現(xiàn)智能監(jiān)控，營造智能舒適的室內(nèi)空氣環(huán)境。

關(guān)鍵詞：建筑室內(nèi);人工智能;空氣監(jiān)控

中圖分類號：TU834.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 概述

智能建筑是以建筑物為平臺，基于對各類智能化信息的綜合應(yīng)用，集架構(gòu)、裝置、應(yīng)用、管理及優(yōu)化組合為一體，具有感知、傳輸、記憶、推理、判斷和決策的綜合智慧能力，形成以人、建筑、環(huán)境互為協(xié)調(diào)的整合體，為人們提供安全、高效、便利及可持續(xù)發(fā)展功能環(huán)境的建筑。

2018年10月，隨著華為發(fā)布《AI戰(zhàn)略和全棧全場景解決方案》，這意味著人工智能加快了落地，這種落地是深入人們的生活，影響各行各業(yè)的。智能建筑就是人工智能應(yīng)用的一個重要方面。建筑結(jié)合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)可以實現(xiàn)建筑智能化，增強(qiáng)人們的居住體驗，有利于節(jié)能減排，有效提高便利性、安全性和舒適性。

2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

中投顧問對2018-2022年中國智能建筑行業(yè)市場規(guī)模做了預(yù)測，2018年我國智能建筑行業(yè)市場規(guī)模將達(dá)到3168億元，未來五年（2018-2022）年均復(fù)合增長率約為15.24%，2022年將達(dá)到5587億元。

從預(yù)測數(shù)據(jù)來看，智能建筑行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅饕蚴切录夹g(shù)快速發(fā)展與應(yīng)用引領(lǐng)了智能建筑行業(yè)的大發(fā)展，同時在人工智能大時代背景下，隨著大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在城市建筑中的全面應(yīng)用，智能建筑行業(yè)必將迎來全新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的建筑不能滿足智能化、信息化、個性化和網(wǎng)絡(luò)化要求，形成了一個個信息孤島，為了消滅孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通，智能建筑行業(yè)迎來了深度改造，這種改造是具有時代背景和意義的，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

首先，政府政策的大力支持，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2015年3月8日發(fā)布《GB 50314-2015 智能建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，2017年4月11日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《JGJ/T417-2017建筑智能化系統(tǒng)運行維護(hù)技術(shù)規(guī)范》為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，自2017年10月1日起實施。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的出臺規(guī)范了建筑智能化系統(tǒng)的運行維護(hù)工作，提高建筑智能化系統(tǒng)運行效率和管理質(zhì)量。

其次，國家大力發(fā)展智慧城市建設(shè)，而智能建筑是智慧城市建設(shè)的主體內(nèi)容之一。智能建筑主要包括工業(yè)建筑，公共建筑，交通建筑，商業(yè)建筑，住宅建筑等，涉及人們的衣食住行的各個方面。智慧城市是一個長期的建設(shè)目標(biāo)，因為技術(shù)在不斷進(jìn)步，智慧城市建設(shè)會隨著新技術(shù)的應(yīng)用不斷的升級改造，而作為智慧城市主體內(nèi)容的智能建筑建設(shè)的步伐也一直不會停歇。

再次，智能建筑發(fā)展前景廣闊，主要體現(xiàn)在人工智能的加持下，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動下，結(jié)合云計算和大數(shù)據(jù)，現(xiàn)代智能建筑煥發(fā)了全新的生命。越來越多的人們關(guān)注智能建筑，這其中包括運營商、設(shè)備商、集成商，及相應(yīng)服務(wù)提供商，也包括技術(shù)開發(fā)者、研究者等等。

更有很多實力雄厚的巨頭企業(yè)關(guān)注智慧城市建設(shè)和智能建筑，例如華為等。

統(tǒng)計近年來的專利數(shù)據(jù)可以看到，從789個關(guān)于智能建筑的專利來看，2016年公開了93個，2017年公開了174個，2018年公開了290個，呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢，從國家知識產(chǎn)權(quán)局的專業(yè)分析中，可以發(fā)現(xiàn)關(guān)于智能建筑的專利以發(fā)明專利為主，占到61.28%，說明了智能建筑技術(shù)的開拓性和創(chuàng)新性進(jìn)步。

從專利的技術(shù)構(gòu)成來看，21.63%集中在H04電通信方面，體現(xiàn)了通信技術(shù)在智能建筑中的重要性，也說明智能建筑的這次大發(fā)展是以通信技術(shù)作為一個重要的切入點;其次是關(guān)于控制、調(diào)節(jié)方面的專利，而關(guān)于智能建筑供熱、通風(fēng)方面的F24占到了6.34%，智能建筑的建設(shè)無論是哪個方面今后都要涉及到物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等等新技術(shù)，而這些新技術(shù)的應(yīng)用需要滿足智能化、個性化要求，實現(xiàn)有效的信息數(shù)據(jù)傳輸，所以在設(shè)計一種建筑室內(nèi)用人工智能空氣監(jiān)控系統(tǒng)的時候，充分考慮了新技術(shù)應(yīng)用，同時考慮了實際需求。個人家庭的空氣質(zhì)量監(jiān)控，為了節(jié)約成本，體現(xiàn)實用性，以人工智能技術(shù)為主要側(cè)重點。

最后，我們應(yīng)該清醒認(rèn)識到，我國智能建筑的不足。我國的智能建筑還處于初期發(fā)展階段，還存在著諸多問題，主要表現(xiàn)發(fā)展水平相對落后、工程質(zhì)量不高、智能建筑普及速度慢、缺乏個性化、缺少支柱企業(yè)、行業(yè)需求得不到滿足、智能化水平不高等問題。

3 存在的問題及原因

傳統(tǒng)的建筑室內(nèi)空氣監(jiān)控系統(tǒng)主要是采用通風(fēng)裝置，對于室內(nèi)空氣的監(jiān)控采用孤立的采集設(shè)備來實現(xiàn)環(huán)境的監(jiān)測，再利用排風(fēng)機(jī)、空調(diào)、空氣凈化器等設(shè)備的人工操作實現(xiàn)室內(nèi)外空氣的換氣通風(fēng)等，達(dá)到對于空氣質(zhì)量的調(diào)節(jié)，用戶不能夠?qū)崟r監(jiān)控掌握室內(nèi)空氣環(huán)境參數(shù)，也沒有辦法實現(xiàn)根據(jù)用戶需求實現(xiàn)智能記憶調(diào)節(jié)功能，智能化水平較低，能耗較高，功能單一，操作復(fù)雜，不易于維護(hù)。目前，缺失一種建筑室內(nèi)用人工智能空氣監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)τ谑覂?nèi)環(huán)境參數(shù)做出智能化監(jiān)控。

主要的原因有三個：第一是成本原因，普通用戶出于成本考慮;第二是出于人們的意識還沒有轉(zhuǎn)變，對于智能建筑不夠重視;第三是工程技術(shù)和施工水平所限。隨著國家大力的推動，以及智能建筑企業(yè)的快速成長，工程設(shè)計、施工水平的提升，這三個問題會得到逐步解決。

4 系統(tǒng)設(shè)計方案

一種建筑室內(nèi)用人工智能空氣監(jiān)控系統(tǒng)可以用于智能建筑室內(nèi)，可以在空氣質(zhì)量上實現(xiàn)智能監(jiān)控，營造智能舒適的室內(nèi)環(huán)境。系統(tǒng)裝置無論在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上和環(huán)保上都是完全可行的。

為了實現(xiàn)上述目的，采用以下系統(tǒng)設(shè)計方案：一種建筑室內(nèi)用人工智能空氣監(jiān)控系統(tǒng)，包括兩部分：單元監(jiān)控總機(jī)和房間裝置。單元監(jiān)控總機(jī)包括人工智能控制器、顯示控制終端、人機(jī)交互裝置、狀態(tài)燈和電源;房間裝置包括房間連接裝置、自適應(yīng)模糊控制器、電子測量裝置、空氣凈化執(zhí)行裝置。

（1）單元監(jiān)控總機(jī)安裝在建筑單元室內(nèi)大門口，用于智能完成各個房間的空氣質(zhì)量監(jiān)控，可以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、人機(jī)交互功能;

人工智能控制器裝有控制芯片，控制芯片采用STM32F103，通過控制芯片存儲、管理和控制不同房間的空氣凈化執(zhí)行裝置;顯示控制終端連接到人工智能控制器，采用4.3寸電容觸摸屏，用于顯示、設(shè)置空氣質(zhì)量參數(shù)，監(jiān)控整個裝置的運行狀況和參數(shù)，可以通過觸摸屏調(diào)整工作參數(shù);人機(jī)交互裝置連接到人工智能控制器，提供計算機(jī)接口和通信模塊，計算機(jī)接口用于安裝時程序的輸入、調(diào)試及故障診斷，通過通信模塊接收手機(jī)遙控信號實現(xiàn)手機(jī)遙控開關(guān)，采用USB接口，通信模塊采用紅外遙控和wifi無線網(wǎng)絡(luò)遙控方式;電源連接到人工智能控制器，用于供給整個裝置電能，采用多路開關(guān)電源，包括交流220V和直流12V、5V、3.3V三路輸出;狀態(tài)燈連接到人工智能控制器，采用LED發(fā)光二極管，可顯示紅色和綠色，用于空氣質(zhì)量較差時亮起紅燈，空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)時亮起綠燈，狀態(tài)燈亮起紅燈時裝置運轉(zhuǎn)，亮起綠燈時裝置自動待機(jī)，低功耗運行。

（2）房間裝置安裝在建筑單元室內(nèi)各個房間，用于實時采集空氣質(zhì)量參數(shù)，智能控制空氣凈化執(zhí)行裝置，受單元監(jiān)控總機(jī)控制，可以實現(xiàn)房間空氣凈化;

房間連接裝置連接到人工智能控制器，受人工智能控制器和自適應(yīng)模糊控制器的控制，采用帶光耦隔離的繼電器，用于控制空氣凈化執(zhí)行裝置的運行狀態(tài);人工智能控制器和自適應(yīng)模糊控制器至少一個發(fā)出控制信號來控制房間連接裝置的通斷狀態(tài)，房間連接裝置的通斷狀態(tài)控制空氣凈化執(zhí)行裝置的電源，房間連接裝置處于通的狀態(tài)時空氣凈化執(zhí)行裝置運行;自適應(yīng)模糊控制器連接到電子測量裝置和房間連接裝置，通過房間連接裝置受人工智能控制器的控制，裝有信號處理芯片，具有人工智能功能，可以根據(jù)電子測量裝置監(jiān)測到的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，實時分析處理，通過房間連接裝置控制空氣凈化執(zhí)行裝置的運行狀態(tài);電子測量裝置連接到自適應(yīng)模糊控制器和空氣凈化執(zhí)行裝置，包括空氣質(zhì)量檢測用傳感器，主要是電化學(xué)傳感器、煙霧氣體傳感器、PM2.5激光傳感器，用于檢測甲醛、苯、TVOC、PM2.5和煙霧燃?xì)獾扔泻怏w，電子測量裝置可以實時測量空氣凈化執(zhí)行裝置的運行狀態(tài);空氣凈化執(zhí)行裝置連接到電子測量裝置和房間連接裝置，裝有多層過濾網(wǎng)和離心風(fēng)機(jī)，用于空氣凈化的作用。

5 實施應(yīng)用

在實際應(yīng)用中，單元監(jiān)控主機(jī)安裝在建筑室內(nèi)單元門口，用于監(jiān)控單元所有房間。由于建筑室內(nèi)單元往往是多房間的，所以每一個房間單獨安裝房間裝置。房間裝置可以通過兩種方式連入單元監(jiān)控總機(jī)：有線方式采用普通的網(wǎng)線接口，采用RJ-45連接頭，安裝維護(hù)方便;無線方式可以通過wifi連入，方便利用家庭或者辦公場所的wifi接入。同時單元監(jiān)控主機(jī)與房間裝置，都可以通過手機(jī)直接遙控，或者通過紅外遙控器遙控。在設(shè)計施工過程中要符合《GB50311-2016綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》和《GB50312-2016綜合布線系統(tǒng)驗收標(biāo)準(zhǔn)》。

安裝好設(shè)備以后要進(jìn)行設(shè)備調(diào)試：

第一步，設(shè)備通電、初始化和自檢。單元監(jiān)控主機(jī)電源提示燈亮，即狀態(tài)燈綠燈亮，系統(tǒng)進(jìn)行初始化和自檢，如果采用wifi模式，請確保wifi打開，進(jìn)入設(shè)置界面，選擇wifi進(jìn)行連接，如果采用有線模式，則開機(jī)初始化和自檢以后無需其他操作。系統(tǒng)屏幕會5分鐘以后自動關(guān)閉，單元監(jiān)控主機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。期間通過顯示控制終端屏幕，我們可以看到初始化和自檢情況，如果設(shè)備有異常，會有報警提示。

第二步，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。通過觸摸屏，修改空氣質(zhì)量參數(shù)的閾值，空氣質(zhì)量滿足在最大和最小閾值之間時系統(tǒng)待機(jī);一旦低于最小值，高于最大值，系統(tǒng)會實時智能啟動，自動調(diào)節(jié)空氣。如果不進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)會采用默認(rèn)的閾值。

需要說明的是企業(yè)辦公場所無線連接時，最好在各個房間安裝中繼路由，保證信號連接質(zhì)量，如果每個房間wifi不一致，需要各房間的路由進(jìn)行配置實現(xiàn)多個wifi無縫切換連接。

6 結(jié)論

一種建筑室內(nèi)用人工智能空氣監(jiān)控系統(tǒng)性能實用完善，成本低、可靠性高。一種建筑室內(nèi)用人工智能空氣監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)建筑內(nèi)智能化室內(nèi)空氣的監(jiān)控，實現(xiàn)代替人工來及時和有效的改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。本系統(tǒng)可以用于智能建筑室內(nèi)安裝，可以空氣質(zhì)量上實現(xiàn)智能監(jiān)控，營造智能舒適的室內(nèi)空氣環(huán)境，無論在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上和環(huán)保上都是完全可行的。

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