分布式自適應空氣凈化系統的設計

黃海峰

（鎮江高等?？茖W校 電氣與交通工程學院，鎮江 212028）

近年來，隨著我國環境空氣污染問題越來越嚴重，人們對自己所處環境的空氣質量日益關注。2011 年，世界衛生組織指出：室內空氣已經高出室外空氣污染5 ～10 倍，如空氣中懸浮的細菌、病毒、異味以及化學氣體等都會威脅到人體健康[1]。作為改善空氣質量的有效產品，空氣凈化器成為不少家庭的標配。目前，空氣凈化器系統往往采用集中控制方式，不能根據污染源產生的地點和污染程度選擇合適的凈化控制方案，造成凈化消耗功率高且不環保，同時缺乏遠程監控能力。

因此，本文設計了一種分布式自適應凈化系統，由服務器、通信網絡及若干的分布式凈化節點構成。每個凈化節點由凈化器和空氣質量檢測系統組成，通過以太網與上位機通信。系統可以根據建筑物內部結構布局，靈活拓展。

1 系統總體方案設計

本系統采用3 層網絡架構，分別為應用控制層（計算機）、網絡傳輸層（結合實際使用，采用以太網通信模式）和分布式凈化節點層（分布式凈化節點）[2]。系統的總體結構如圖1所示。

因為實際建筑物內部空間結構、空氣流通狀況非常復雜，往往難以正確描述系統的動態，所以很難建立精確的控制模型。本系統模糊控制算法對分布式凈化節點采集的空氣質量數據進行分析處理，并根據污染程度和污染位置選擇臨近的凈化器工作，精確控制分布節點的凈化機工作狀態。系統運行過程中，遠程組態監控系統不斷統計分布節點的運行狀態、工作時間及凈化效果，實時修改模糊規則庫，優化系統控制效果，使之達到高效節能環保的目的。

2 自適應控制算法設計

模糊控制的關鍵在于建立模糊規則庫。根據先驗經驗，可建立一個初始的模糊規則庫[3]。根據實際運行效果，實時修改模糊規則庫。

根據輸入（污染程度）分成無污染、輕、中等、重度等4 級，輸出（凈化機功率）分為不工作、弱、強、最強等4 級，模糊規則庫為4×n模糊控制矩陣，其中n為節點個數。m(i,j)表示對應節點輸出控制量。其中：i行下標表示污染程度，i=1 對應“無污染”，i=2 對應“輕”，i=3 對應“中”，i=4 對應“重度”；j列下標表示節點位置。

本文以空氣質量指標PM2.5為例，說明自適應模糊控制器的建立與調整過程。工作時，先由經驗（或實驗數據）配置一個初始的模糊規則庫，然后每隔一段時間Δt檢測某節點PM2.5值，計算當前時刻PM2.5(t)值與前一時刻PM2.5(t-1)值之差ΔPM2.5。如果ΔPM2.5為負，說明m(i,j)對應節點輸出控制量適當，凈化是有效果的，PM2.5在減少。如果ΔPM2.5為負值但絕對值很小，說明凈化效果不理想，否則ΔPM2.5為正，PM2.5在增加，說明m(i,j)對應節點輸出控制量偏小，凈化效果差，需要增加m(i,j)。如果單位時間ΔPM2.5下 降比較少，如ΔPM2.5/Δt＞-0.2（0.2 數值根據系統實際工作需要設定），則m(i,j)=m(i,j)+Δm。具體流程如圖2 所示。

3 自適應空氣凈化系統的設計

考慮到分布式凈化系統分布范圍廣，因此需要采用遠程控制[4]。本系統控制器選擇臺達DVP12SE 作為控制器。采用單片機ATmega328 采集PM2.5空氣質量的數據，建立系統測試模型。監控管理層系統組態畫面設計界面，如圖3 和圖4 所示。

3.1 分布式凈化節點設計

每個分布在室內各處的凈化節點由兩部分構成[5]：一部分為空氣質量采集系統，可以根據要求配置不同傳感器模塊，采集相應的空氣質量參數；另一部分為空氣凈化模塊（凈化機）。凈化機原理是利用機器內的風扇使室內空氣循環流動，其中污染的空氣通過空氣過濾器將各種污染物清除或吸附，然后被風扇送出，達到清潔、凈化空氣的目的。所以，凈化機的控制可等效為風扇電機控制。

3.2 系統功能設計

分布在各處的凈化節點把采集到的空氣質量數據如PM2.5通過網絡設備（交換機、路由器）傳輸到服務器。如圖5 所示，分布式自適應空氣凈化系統的主要工作流程：PLC 控制器先通過組態監控系統配置初始模糊規則庫，對硬件模擬量模塊初始化；開始工作讀取模擬量模塊各個通道輸入的電壓值，根據輸入通道與各個分布式節點一一對應關系獲取污染分布區域，再根據讀取的電壓值轉換成PM2.5值，判斷污染程度；由污染節點（位置）和污染程度查模糊規則庫得到控制輸出量，控制相應節點凈化機工作，并把運行狀態傳輸給組態監控系統，延時合適時間后再進行下一次測量[6-7]。

污染程度判斷[6-8]：當屋內空氣質量PM2.5≤50 μg·m-3時，屋內沒有產生污染，凈化系統保持原始狀態；當50 μg·m-3＜PM2.5≤250 μg·m-3時，空氣為輕度污染，有煙霧產生，PLC 接收到信號便開始啟動第一檔位的凈化器凈化功能效果；當250 μg·m-3＜PM2.5≤450 μg·m-3時，空氣為中度污染，PLC接收到該信號開始啟動到第二檔位驅動凈化功能效果；當PM2.5＞450 μg·m-3時，空氣為中度污染，PLC 接收到該信號開始啟動到第三檔位驅動凈化功能效果，此時的凈化器達到最大驅動凈化功能[8]。

3.3 模擬凈化測試

以一套三居室住宅建筑模型為測試對象，在房間內放置市場上的某空氣凈化產品和本文提出的自適應空氣凈化系統進行對比實驗。通入等速且等量的廢氣，檢測空氣中的PM2.5濃度，結果如圖6 所示。采用自適應空氣凈化系統的PM2.5濃度含量下降較快，節約15 min 左右。

4 結語

設計的分布式自適應空氣凈化系統優點和效果在于：一是可以隨時監控不同區域位置污染狀態，實時控制鄰近凈化節點的工作狀態進行有針對性的控制，有利于提高凈化效率，達到環保節能的目的；二是采用模糊控制方法，模糊規則能根據實際控制效果實時修改，使控制規律更符合實際情況，自適應實際控制環境；三是系統擴展方便，由于本系統采用分布式凈化節點結構，通過增加節點能夠比較方便地根據控制建筑物擴展系統。經過凈化模擬測試，可以證明系統基本能夠達到節能高效的設計目的。