對空氣質量監控及自動開關窗裝置的研究

李曉緣 楊昊 鄭林瀧 陶楊 韓佳蓉

【關鍵詞】自動控制;空氣質量;標準值;監測

“戴口罩、勤洗手、常通風”是國家衛健委提出的疫情防控的主要措施。[1]如何實施有效、科學的通風方法具有重要意義。由于一些條件、需求的限制（如保暖，制冷，工作要求等），我們無法完全實現對室內空氣環境的實時、有效控制;人們僅靠自身感覺不適再決定通風與否時，實際上身體已經受到負面影響。而定時換風系統雖然被較多采用，但由于沒有根據實時空氣狀況而為，不能夠滿足人們對換風、通風調節的實際需求，造成用戶體驗效果不佳，且資源浪費的問題。一些空氣凈化器在使用過程中會產生有害的副產物，加劇室內空氣質量惡化。所以，根據室內的空氣狀況自動實現自然通風換氣成為較迫切的研究課題。

（一）目前空氣質量的問題

各行各業迅速發展，伴隨的廢氣排出、城市基建、綠化減少以及惡劣天氣等是造成空氣污染的最主要原因。我們在備受污染的空氣環境中工作、生活，對于我們的生命健康是不利的，甚至還會影響我們的心理健康。

（二）空氣里的有害物質對人體的危害

世界衛生組織公布的一項報告表明，空氣污染大部分源于室內。美國伯克利國家實驗室研究者Logue等人，對美國室內空氣污染所帶來的慢性健康危害而造成的傷殘調整與生命年損失問題開展了研究，結果表明，每十個人的健康損失大約為400-1100DALYs/年[2]。

根據有關數據，室內空氣中比較恒定的是氮、氧、氬，占空氣總量的99.96%。氧是維持生命絕對必需的氣體，占空氣體積的20.94%。一般情況下氧占空氣比例的變動范圍很小，為0.01%——2%。這種微小變化對人體健康并無很大影響。但在特殊情況下，當空氣中的氧含量降至14.5%——12%時，人就會發生代償性呼吸困難;當空氣中的氧含量降至10%以下時，會出現惡心、智力活動減弱的癥狀，甚至出現呼吸及心血管運動中樞障礙;當空氣中的氧含量降至7%以下時，人的代償功能迅速衰竭，會導致昏迷、窒息甚至死亡。

二、空氣指標

（一）國內外的研究及發展狀況

目前我國建筑、環保、衛生等部門都在開展室內空氣質量監測的實驗，各部門都制定了相關國家標準，包括《民用建筑工程室內環境污染控制規范》、《室內空氣旗最標準》、《居室空氣中甲醛的衛生標準》以及《室內空氣所量衛生規范》等等。

在《室內空氣污染監測方法》與《室內污染檢與控制》中，研究了室內空氣監測的采樣方法、分析方法，并介紹國內外最新的儀器分析手段，在香港特別行政區的《辦公室及公共場所室內空氣質量管理指南草案》中推薦了最適合室內空氣質量監測的便攜式儀器。

韓國漢陽大學研究了通過植物過濾系統對室內空氣質量進行改善，選取在夏季進行實驗，比較韓國本地與國外植物對空氣污染的凈化效果，發現了放置植物的房間對VOC物質的凈化效果要比未放置植物的房間要好。[3]

對比國內外研究，目前對于保持室內空氣質量良好這個問題，尚缺少可以用于家居生活的、具有泛用性的自動化監測空氣質量并可以進行調節的設備。

（二）小組研究結果

通過調查，我們歸納了空氣中含有的成分的臨界值，圖表如下：

（一）工作原理

空氣質量監控自動開關窗系統，它主要包括空氣質量檢測模塊，中央控制器模塊和步進電機模塊。主要由三大部分組成，分別是單片機核心控制電路及簡單外圍電路，傳感器、 傳感器、 傳感器、 傳感器和甲醛傳感器組成的信息采集系統，步進電機的驅動系統。

自動模式下該空氣質量監控自動開關窗由安置在室內的 傳感器、 傳感器、 傳感器、 傳感器和甲醛傳感器監測空氣中的氣體濃度等各項數據，并在顯示器上顯示相應的氣體濃度，傳送給單片機中央處理單元進行數據分析與處理，若濃度在健康范圍之內，則指示燈顯示綠燈，隨之將會進入每5分鐘循環一次空氣質量檢測模塊。而若濃度在健康范圍之外，指示燈顯示紅燈，并向步進電機發送指令，進而由步進電機帶動同步帶輪連接窗框，使窗戶發生位移，達到自動開合窗戶的目的。另外，手動模式下通過觸摸屏也可實現現場控制。遠程控制模式下通過手機小程序即可遠程控制，實現開關窗操作。

（二）電路設計

自動模式下，空氣質量指標通過 傳感器、 傳感器、傳感器、 傳感器和甲醛傳感器組成的信息采集系統以模擬量的形式輸入FPGA，當測量值大于設定值時M23口輸出信號給步進電機，使步進電機正轉或反轉若干個步長，并且在M25口輸出報警;手動模式下，通過觸摸屏將數字量輸入給數字信號處理，在將處理過的信號通過DAC轉換為模擬量輸入給FPGA，使步進電機正轉或反轉若干個步長;遠程控制模式下，手機APP通過無線網絡連接與數據網關通信，實現沙盤上傳感器數據的遠程監控和智能開關的遠程控制。

（三）總框架

1、空氣質量檢測模塊，設計空氣質量檢測模塊主要由氧氣傳感器（O2-A2）、雙引擎二氧化碳傳感器-CM1109、CO濃度傳感器CY7200A、TVOC傳感器和甲醛傳感器CB-HCHO-V3構成。這些傳感器價格相對低廉，但具有優異的穩定性與可靠性，能實現數據收集與數字信號傳輸的功能。

2、中央控制器模塊，選用SSTC公司生產的STC89，具有8K系統可編程閃存的低功耗高性能Flash8位微控制器。STC89C52使用經典MCS-51內核，但經過大量改進，芯片中包含了現有51單片機中沒有的功能。STC89C52在單個芯片上配備智能8位CPU和系統可編程閃存（Flash），可為各種嵌入式控制應用系統提供靈活高效的解決方案。

3、步進電機模塊，采用42BYG250B兩相混合式步進電機作為機械部分的驅動設備，步距角18°，靜力矩048～075N/m，機身長48～60mm，引線數4，電流12～25A。步進電機是將電脈沖信號轉化為角位移或線位移的開環控制元件。其中的脈沖發生器用于產生頻率變化的脈沖信號。脈沖分配器將脈沖信號轉換成具有一定邏輯關系的環形脈沖。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，進而在速度、位置等控制領域用步進電機控制變得非常的簡單，能有效控制窗戶的開關角度。

（四）小程序的遠程設計

單片機通過可編程IO將數據傳感器和開關設備連接起來，實現物聯網應用模擬沙盤。個人計算機作為數據網關，通過串行端口連接到單個芯片，允許在沙盤上收集傳感器數據和控制交換機設備。手機作為遠程控制終端，通過無線網絡連接與數據網關通信，實現沙盤上傳感器數據的遠程監控和智能交換機的遠程控制。

本次對空氣質量監控及自動開關窗裝置的研究初步完成，以期在日后的研究學習中進一步完善對該裝置的設計。在這次的項目中，小組成員都很認真地完成自己的任務并參與每個過程，并提出自己的意見進行修改。在這段時間對這個項目的付出和努力，讓我們收獲了不少，在團隊合作方面也有了進一步理解。同時，也很感謝老師給我們提出的建議以及修改方式。在項目研究過程中，我深深感受到團隊合作的重要性和必要性，在一定程度上提高了自己的學習和創新能力，很感謝這個項目給我的鍛煉與成長的機會。