基于物聯網技術的智能車載新風系統的設計與實現

◆徐棟梁

基于物聯網技術的智能車載新風系統的設計與實現

◆徐棟梁

（重慶工商職業學院 重慶 401520）

當前越來越多的人選擇“自駕”出行，車主和乘客對駕駛體驗和乘坐舒適性有了新的追求。本文設計了一種基于物聯網技術的智能車載新風系統，該系統以STM32F103ZET6單片機為控制中心，利用DHT11溫濕度傳感器和MH-Z19B二氧化碳傳感器檢測數據，同時包含了加熱器、制冷器和加濕模塊、Wifi傳輸模塊等，可以根據傳感器所檢測的數據自動控制車內溫濕度以及二氧化碳濃度，檢測數據可以通過Wifi上傳至OneNET云平臺，車主可以通過手機APP訪問云平臺，向各功能模塊下達指令，實現遠程控制。實驗證明，該系統具有明顯改善車主的駕駛體驗和乘客的舒適性的效果。

DHT11溫濕度傳感器；MH-Z19B二氧化碳傳感器；OneNET云平臺；物聯網技術

1 引言

隨著出行量的增加，人們在車上度過的時間越來越長，多數情況下車窗是長時間封閉的，時間長了會產生一些問題。一方面車內會產生大量二氧化碳，二氧化碳含量上升，以及車內配飾產生的污染物都會導致乘客出現胸悶、氣短、頭暈、視力模糊等癥狀；另一方面，二氧化碳含量上升會車內氣溫、濕度與車外產生差異，進而導致汽車車窗上面出現結霧等現象，嚴重影響了駕駛員的視線。此外，在冬天天氣寒冷的情況下，車窗和反光鏡上也會出現結冰或結霧的現象，車主在啟動車輛前必須手動除霧和除冰；夏天車內氣溫較高，車主往往要開啟空調并等氣溫下降后才駕駛車輛，在這兩種相對較極端的天氣下，往往車主不能及時啟動并駕駛車輛。目前當車內出現以上現象時，現有車輛大多都是靠駕駛員手動或者語音開啟空調，而空調從啟動到實際問題的解決需要時間，在此期間駕駛員依舊無法擁有良好的視線和駕駛體驗，乘客無法享受舒適的乘坐體驗。

基于以上分析，本文設計了一種基于物聯網技術的智能車載新風系統，該系統能自動調節車內的溫濕度和二氧化碳濃度，也可以通過手機APP等用戶終端實現遠程控制，能有效改善車主的駕駛體驗和乘客的舒適性。

2 智能車載新風系統方案設計

本文設計的基于物聯網技術的智能車載新風系統是以STM32單片機作為主控芯片，由二氧化碳濃度傳感器、溫濕度傳感器、制冷器、加熱器、LED屏、Wifi傳輸模塊等組成，系統整體架構如圖1所示。

智能車載新風系統是以STM32單片機為核心，可以給相應的模塊發送指令或接收來自其他模塊發送的數據。溫濕度傳感器被布置在車內和車外，用于檢測車內外的溫濕度。二氧化碳濃度傳感器主要用于檢測車內二氧化碳的含量。加熱器和制冷器主要用于控制車內的溫度，加濕模塊主要用于改善車內的濕度。LED屏顯示各種檢測數據。Wifi傳輸模塊為單片機核心控制模塊建立信息交流和用戶指令的下達。電源模塊為整個智能車載新風系統提供電力。

車窗出現“霧現象”主要有兩種原因，第一是濕度高，當空氣中濕度達到穩定狀態時，車窗溫度不高于露點溫度，在車窗表面上就會出現結露。所謂的露點溫度是指在空氣中水蒸氣轉換為露珠時的溫度，露點溫度本質上稱之為溫度值，但一般用于濕度表現。第二個原因是車內外的溫差所引起來的，當車身表面水分飽和，蒸汽壓低于四周氛圍的蒸汽壓時，玻璃表面會籌集水汽，形成水珠，最后滲析變成霧氣。在車內外設置溫濕度傳感器，可以用于檢測車內外的溫濕度，根據檢測的數據判斷是否滿足出現結霧的條件，若滿足則直接判斷是否開啟加熱器、制冷器，或者是加濕器，同時還可以根據檢測的數據選擇相應的檔位。

根據美國國家職業安全衛生研究所NIOSH研究顯示，空氣中二氧化碳濃度在350～1000ppm時是適宜的，超過1000ppm時讓人感覺空氣渾濁，并開始覺得昏昏欲睡。車內二氧化碳濃度傳感器用于實時檢測車內二氧化碳含量，當高于1000ppm時就會自動開啟車窗通風。

各模塊檢測的數據可以通過Wifi傳輸模塊上傳至OneNET云平臺，車主可以通過手機APP隨時訪問新風系統，也可能通過APP向系統發送指令，系統可以根據指令開啟加熱器、制冷器或加濕器，或選擇相應的檔位，方便用戶通過網絡平臺進行遠程的干預和遙控。

圖1 基于物聯網技術的智能車載新風系統

2 系統硬件設計

2.1 MH-Z19B二氧化碳傳感器

MH-Z19B二氧化碳氣體傳感器是一個通用智能小型傳感器，利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CO2進行探測，具有很好的選擇性和無氧氣依賴性，壽命長。工作電壓為4.0～5.5VDC，可以測量0~5000ppm范圍內的二氧化碳氣體，高靈敏度、低功耗。

2.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器是數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，如圖2所示，功能上采用特殊數字模塊的溫濕度傳感技術，包含了電阻式感濕元件和NTC測溫元件，供電電壓3.3~5.5V DC，精度濕度±5%RH，溫度±2℃，量程濕度20-90%RH，溫度0~50℃。具有體積小、功耗低的特點。

圖2 DHT11溫濕度傳感器

2.3 加熱器

加熱器主要是由硅橡膠發熱絲所組成的，通過傳感器接收到溫度低于標準值時，通過主控系統下達指令，給硅橡膠發熱絲供電，使其工作發熱，最高耐受180度，以達到使車室內溫度升高的目的，提高司機和乘客乘車的舒適度。

2.4 STM32F103ZET6單片機

單片機采用STM32F103ZET6型號，是ARM Cortex-M3核心的32位嵌入式微控制器，采用512K片內FLASH，64K片內RAM。片內FLASH允許在線編程（IAP），且能夠到達72M頻率數據，可以最大化完成CPU運行速度。

2.5 制冷器

制冷器采用的是TEC1-12705半導體制冷片，工作電壓是12V，不需要任何致冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，沒有滑動部件，是一種固體器件，工作時沒有震動、噪音。壽命長，安裝容易。

圖3 TEC1-12705半導體制冷片

2.6 用戶終端模塊

用戶終端模塊包含Wifi通信模塊、OneNET云平臺、智能手機APP等模塊，其中單片機核心控制模塊通過無線傳輸模塊、 OneNET云平臺與終端手機平臺進行監控信息的交互及控制指令下達，可實現智能手機APP實時數據查詢，云計算存儲，無線數據傳輸等功能。

3 系統軟件設計

系統軟件設計是以Keil uVision5為開發平臺，主程序包括通過數據初始化完成系統初始狀態，并利用中斷技術，結合不同子模塊完成各種相關功能。具體流程圖如圖4所示。

當智能車載新風系統接通電源，開始自動工作時，DHT11溫濕度傳感器和MH-Z19B二氧化碳傳感器開始啟動采集數據，當DHT11溫濕度傳感器檢測到溫度高于27℃時或低于19℃時，并且濕度高于58%時，智能車載新風系統輸出信號，選擇相應的檔位開啟加濕器、加熱器或者制冷器。當MH-Z19B二氧化碳傳感器檢測到CO2濃度高于1000ppm時，對智能車載新風系統輸出信號做出反應，給兩個電機施加電壓供電，開啟窗戶。同時所有的檢測數據都會同步傳輸到OneNET云平臺，用戶可以通過手機APP直接查看數據，并選擇相應的檔位開啟各功能模塊。

圖4 軟件流程圖

4 系統測試

在實際的測試中，讓硬件平臺連續工作3小時，通過人為改變環境條件，如降低溫度、增加濕度、增加二氧化碳濃度等，驗證各模塊的功能，最后的結果顯示，系統數據傳輸穩定，各功能模塊運作正常，整體設計符合要求，達到了預期設計目標。

5 結語

本文設計的智能車載新風系統，是以STM32F103ZET6單片機為控制中心，能自動調節車內的溫濕度，自動改善車內空氣，同時車主還可以通過智能手機APP實現對車內溫濕度和空氣進行遠程控制，能有效改善車主的駕駛體驗和乘客的舒適性，同時本系統的研究成果對智慧駕駛也有一定的借鑒意義。

[1]周妍.智能居家新風系統[J].電子技術與軟件工程，2016.

[2]齊子姝，李雙.基于室內污染物濃度控制新風系統實驗研究及節能量計算[J]. 工業安全與環保，2019（3）.

[3]楊鑫茹，鄭凡非，張賀. 多傳感器長途客車智能新風系統設計研究[J].中小企業管理與科技，2020，000（007）：194-196.

[4]袁海娣.基于物聯網的智能防霧霾新風系統[J].電腦知識與技術，2017（32）：257-258+267.

[5]劉乾，信向譽，孫德欣.基于物聯網的智能新風系統的研究[J].山東工業技術，2019，000（018）：148，136.

[6]夏濤，陳沖，蔣浩.基于物聯網的智能新風控制系統設計[J].電子制作，2020，000（011）：18-20.

[7]王進升.基于物聯網的智能防霧霾新風系統設計[J]. 河南科技，2017（23）：36-38.