一種室內(nèi)空氣凈化裝置的研制及其控制方法*

賈麗斯

（廣西大學(xué)行健文理學(xué)院 電氣工程系，廣西 南寧530005）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們對(duì)住宅和辦公室內(nèi)的空氣質(zhì)量要求越來(lái)越高，特別是現(xiàn)代化的室內(nèi)空氣污染，包含裝修材料所釋放的甲醛、苯等有害氣體，可吸入顆粒物PM10、可入肺顆粒物PM2.5 和各種細(xì)菌等[1-3]。由于空氣中的氣體種類多、成分復(fù)雜，需要多種傳感器進(jìn)行檢測(cè)、分析，根據(jù)分析結(jié)果做出相應(yīng)的控制決策。所以這類控制問(wèn)題是一個(gè)多變量輸入和多變量選擇輸出系統(tǒng)的控制問(wèn)題。在實(shí)際中存在著許多這類系統(tǒng)，例如交通流量的控制也是分道進(jìn)行的。這類控制的共同點(diǎn)是信息的來(lái)源是同時(shí)的和多方面的，因此，解決這類控制問(wèn)題首先要用多種傳感器對(duì)信息進(jìn)行檢測(cè)，然后對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和信息融合，根據(jù)融合的結(jié)果決定控制輸出。將多傳感信息融合技術(shù)應(yīng)用于智能空氣凈化裝置可以獲得比單一傳感器對(duì)周圍環(huán)境更準(zhǔn)確、更全面的信息，從而降低信息的不確定性，提高智能凈化裝置系統(tǒng)的互補(bǔ)性和可靠性。

目前的空氣凈化裝置[4-6]中的傳感器或檢測(cè)系統(tǒng)多為可以檢測(cè)空氣中酒精、香煙、氨氣、硫化物等各種污染源，由于檢測(cè)的污染源種類較多及傳感器本身誤差率等因素，導(dǎo)致空氣檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)過(guò)程中存在著較大的失誤率。在誤差出現(xiàn)的情況下，人們?cè)谑覂?nèi)就難免會(huì)呼吸到有害氣體，長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)致身體不適。針對(duì)空氣檢測(cè)系統(tǒng)或傳感器等智能化檢測(cè)設(shè)備存在的失誤率現(xiàn)象[7-9]，本文擬設(shè)計(jì)一種室內(nèi)空氣凈化裝置及其控制方法，通過(guò)在空氣凈化裝置中添加記錄存儲(chǔ)模塊、隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊和比對(duì)模塊，實(shí)現(xiàn)即使在檢測(cè)設(shè)備發(fā)生誤差的情況下，也會(huì)根據(jù)室內(nèi)人員的生活習(xí)慣來(lái)控制空氣凈化模塊對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化。

1 空氣凈化裝置總體構(gòu)造

圖1 室內(nèi)空氣凈化裝置總體結(jié)構(gòu)圖

室內(nèi)空氣凈化裝置（以下簡(jiǎn)稱裝置）的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，裝置主要由空氣凈化模塊、檢測(cè)模塊、控制模塊、記錄存儲(chǔ)模塊、隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊、比對(duì)模塊、電源等組成。其中本文設(shè)計(jì)的裝置創(chuàng)新之處在于檢測(cè)模塊中含有VOC 傳感器、顆粒物傳感器中的一種或兩種。隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊為Monte Carlo 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。記錄存儲(chǔ)模塊能夠記錄7 天的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

電源分別與空氣凈化模塊、檢測(cè)模塊、控制模塊、記錄存儲(chǔ)模塊、隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊、比對(duì)模塊電連接；空氣凈化模塊、控制模塊、記錄存儲(chǔ)模塊、隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊和比對(duì)模塊分別設(shè)有信號(hào)輸入端和信號(hào)輸出端，檢測(cè)模塊設(shè)有信號(hào)輸出端；空氣凈化模塊的信號(hào)輸出端與記錄存儲(chǔ)模塊的信號(hào)輸入端連接，檢測(cè)模塊的信號(hào)輸出端分別與控制模塊、記錄存儲(chǔ)模塊的信號(hào)輸入端連接，控制模塊的信號(hào)輸出端與空氣凈化模塊的信號(hào)輸入端連接，記錄存儲(chǔ)模塊的信號(hào)輸出端分別與隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊、比對(duì)模塊的信號(hào)輸入端連接，隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊的信號(hào)輸出端與比對(duì)模塊的信號(hào)輸入端連接，比對(duì)模塊的信號(hào)輸出端與控制模塊的信號(hào)輸入端連接。

2 室內(nèi)空氣凈化控制方法設(shè)計(jì)

本文擬采取以下控制方法實(shí)現(xiàn)即使在檢測(cè)設(shè)備發(fā)生誤差的情況下，也會(huì)根據(jù)室內(nèi)人員的生活習(xí)慣來(lái)控制空氣凈化模塊對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化。控制方法流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 控制流程圖

裝置的控制方法，包括以下a 到f 一共6 個(gè)步驟：

步驟a：開啟電源，轉(zhuǎn)至步驟b

步驟b：檢測(cè)模塊檢測(cè)室內(nèi)空氣，轉(zhuǎn)至步驟c

步驟c：檢測(cè)模塊判斷是否需要凈化空氣

若檢測(cè)模塊判斷需要凈化，則檢測(cè)模塊發(fā)送信號(hào)給控制模塊，轉(zhuǎn)至步驟e；若檢測(cè)模塊判斷不需要凈化，這種情況存在檢測(cè)模塊發(fā)生失誤的可能，則檢測(cè)模塊發(fā)送信號(hào)給記錄存儲(chǔ)模塊，轉(zhuǎn)至步驟d。

步驟d：比對(duì)模塊根據(jù)空氣凈化模塊前N 天的工作記錄來(lái)判斷是否需要凈化空氣

記錄存儲(chǔ)模塊發(fā)送信號(hào)給隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊和比對(duì)模塊，隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊生成1 個(gè)數(shù)字m（0≤m≤1），比對(duì)模塊計(jì)算前N 天的記錄中該時(shí)刻空氣凈化模塊為運(yùn)行狀態(tài)的概率p，隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊發(fā)送信號(hào)給比對(duì)模塊，比對(duì)模塊計(jì)算m 與p 的大小，若m≤p，則比對(duì)模塊發(fā)送信號(hào)給控制模塊，轉(zhuǎn)至步驟e；若m＞p，則比對(duì)模塊發(fā)送信號(hào)給控制模塊，轉(zhuǎn)至步驟f。

步驟e：運(yùn)行空氣凈化模塊

控制模塊發(fā)送運(yùn)行信號(hào)給空氣凈化模塊，空氣凈化模塊發(fā)送記錄信號(hào)給記錄存儲(chǔ)模塊，記錄存儲(chǔ)模塊記錄空氣凈化模塊的運(yùn)行時(shí)間，轉(zhuǎn)至步驟b。

步驟f：關(guān)閉空氣凈化模塊

控制模塊發(fā)送關(guān)閉信號(hào)給空氣凈化模塊，空氣凈化模塊停止運(yùn)行，轉(zhuǎn)至步驟b。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

本文采用現(xiàn)有的含有VOC 傳感器、顆粒物傳感器的空氣凈化裝置和本文所設(shè)計(jì)的裝置實(shí)施例進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)比凈化效果。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的室內(nèi)環(huán)境工況與空氣質(zhì)量接近。

3.1 對(duì)比例

對(duì)比例采用兩臺(tái)現(xiàn)在比較流行的含有VOC 傳感器、顆粒物傳感器的空氣凈化裝置作為與本文設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行對(duì)室內(nèi)檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比，該對(duì)比例裝置還包括控制單元和空氣凈化單元，通過(guò)上述傳感器定時(shí)檢測(cè)空氣中的污染源，當(dāng)檢測(cè)到污染源時(shí)，則發(fā)送信號(hào)給控制單元，控制單元控制空氣凈化單元啟動(dòng)；當(dāng)未檢測(cè)到污染源時(shí)，則不發(fā)生信號(hào)給控制單元。本對(duì)比例中設(shè)定傳感器的檢測(cè)時(shí)間間隔為2 小時(shí)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下將兩臺(tái)傳感器分別設(shè)置在室內(nèi)的兩個(gè)相對(duì)的墻體上，分別編號(hào)為1 和2，對(duì)室內(nèi)的檢測(cè)后的運(yùn)行記錄如表1 所示。

3.2 實(shí)施例

實(shí)施例采用的是本文設(shè)計(jì)的裝置及控制方法。并設(shè)定傳感器的檢測(cè)時(shí)間間隔為2 小時(shí)。裝置對(duì)室內(nèi)檢測(cè)后的運(yùn)行記錄如表2 所示。

表1 和表2 中的“√”表示空氣凈化模塊工作，空白表示空氣凈化模塊不工作。本文設(shè)計(jì)的控制方法與對(duì)比例相比，通過(guò)在空氣凈化裝置中添加記錄存儲(chǔ)模塊、隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊和比對(duì)模塊，實(shí)現(xiàn)了即使在兩個(gè)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)結(jié)果不統(tǒng)一的情況下（即檢測(cè)設(shè)備發(fā)生誤差的情況下），也會(huì)根據(jù)室內(nèi)人員的生活習(xí)慣來(lái)控制空氣凈化模塊對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化，降低室內(nèi)人員呼吸有害氣體的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 現(xiàn)有的空氣凈化裝置對(duì)室內(nèi)檢測(cè)后的運(yùn)行記錄

表2 實(shí)施例采用的室內(nèi)空氣凈化裝置對(duì)室內(nèi)檢測(cè)后的運(yùn)行記錄

4 結(jié)束語(yǔ)

本文立足于實(shí)際問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)空氣凈化裝置及其控制方法。采用了添加含有VOC 傳感器、顆粒物傳感器的檢測(cè)模塊，Monte Carlo 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊和對(duì)比模塊。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該控制方法完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。裝置對(duì)各種各樣的室內(nèi)場(chǎng)所都具有很強(qiáng)的適用性，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，并對(duì)室內(nèi)空氣凈化研究有一定的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)該裝置為室內(nèi)空氣凈化提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。