一種物聯網聯動的智能空氣凈化系統

摘 要：室內空氣污染易引發呼吸道疾病等，嚴重危害人類的身心健康。針對這類問題，提出和設計了一種物聯網聯動式智能空氣凈化系統。基于靜電集塵、紫外殺菌等技術，利用空氣檢測采集模塊和物聯網設備的協同作用，將室內環境的溫濕度、空氣質量、光照、通風等參數，聯動室內其他智能家居等信息同步導入Comsol進行模擬優化，通過用戶端實現物聯網聯動的智能空氣凈化和遠程控制。經驗證， 該智能空氣凈化系統運行穩定，具有較好的應用前景。

關鍵詞：空氣凈化器；空氣檢測；物聯網；Comsol；靜電集塵；紫外殺菌

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-0-06

0 引 言

隨著互聯網技術的發展，越來越多的人一天中有超過80%的時間處于室內[1]。由于室內污染源多、空氣流動性差等原因，易引起嚴重的空氣污染。室內常見的污染物包括可吸入顆粒物PM2.5、SO2、甲醛和甲苯等[2]。同時，室內空氣中還包含一些病毒和細菌。當空氣質量變差時，其污染物時刻危害著人體的健康，易引起頭疼、頭暈、過敏性鼻炎和呼吸道疾病等[3]。為了減少室內低質量空氣對人體健康的危害，高效智能的空氣凈化系統成為了當下提升室內環境質量的研究焦點。

相較于通風換氣和植物凈化等手段[2]，空氣凈化器是目前處理室內空氣污染最高效的方法之一。利用凈化器可對室內空氣實現快速凈化，具有范圍更廣、效率更高等特點。目前，室內空氣凈化技術主要包括如下幾項：

HEPA過濾技術：HEPA通過空氣過濾材料吸附灰塵等小顆粒污染物[4]，凈化效率高達99.97%。但此類材料在吸附大量污染物后其凈化效率會大幅降低，需定期更換濾芯，否則容易造成二次污染。

光觸媒催化技術：主要通過二氧化鈦光催化材料產生的OH-和O2-對空氣中可揮發性有機物（VOCs）進行分解[5]。但其凈化速率有限，且光觸媒材料成本較高。

靜電集塵技術：這是一種通過電離空氣使微粒帶電進而被電場捕獲實現集塵的技術，適用于灰塵和粉塵等污染物[6]。該技術的缺點是高壓電離空氣會產生臭氧，且集塵裝置需定期更換和清洗。

紫外殺菌技術：這是一種利用紫外線對微生物造成輻射損傷的凈化手段，其殺菌范圍廣、速度快[7-9]。但紫外線對于人體有一定傷害，需防止光泄漏。

空氣凈化技術種類多、效果顯著，但單一的凈化技術無法實現室內空氣的全方位凈化，目前市場上的大部分空氣凈化器集成了多種空氣凈化手段。但是，此類凈化器和解決方案往往忽略了室內空氣的流動，例如開窗通風或開啟空調、風扇等，室內空氣流動會帶動室內空氣污染物的流動，影響空氣凈化器的凈化效率[10]。為了解決以上問題，本文設計了一種基于Comsol模擬和物聯網的智能空氣凈化系統，主要具有如下優點：

（1）利用靜電集塵技術，通過高壓電場捕獲空氣中的塵埃微粒，實現無耗材凈化；

（2）通過集成高壓霧化泵的滾筒式設計，實現高效自清潔功能；

（3）通過WiFi和藍牙模塊等實現遠程空氣凈化器與其他室內智能設備的信息傳輸和控制；

（4）基于Comsol模擬對空氣凈化器的工作位置和參數進行調優，提高凈化效率。

1 空氣凈化系統的設計

1.1 空氣凈化系統整體結構

空氣凈化系統的整體結構如圖1所示，包含了凈化系統、空氣檢測系統和用戶應用程序。工作原理：空氣檢測系統對室內的基礎空氣數據（包括溫度、濕度和污染空氣體積分數）進行檢測；檢測數據由控制系統上的WiFi和藍牙模塊上傳至用戶應用端；用戶通過手機或電腦對空氣凈化器的工作狀態進行遠程智能控制；將室內空間構造、外界環境屬性和室內空氣情況等信息導入Comsol進行空氣動力學模擬，得到室內污染空氣分布、成分、流動速度等數據，并進一步聯動凈化設備協同工作，從而提高工作效率，達到預期的凈化效果。

1.2 控制系統

控制系統如圖2所示，主要包括STM32F103VET6單片機（如圖3所示）、24 V電源模塊、PWM輸出電路、微風扇、紫外殺菌燈、藍牙、WiFi模塊、舵機水泵和靜電集塵系統。其中，24 V電源模塊用于為STM32單片機和PWM輸出電路供電。STM32單片機輸出不同占空比的方波信號來控制PWM電路的輸出電壓，進而控制微風扇的轉速、紫外殺菌燈的強度、霧化水泵的工作功率以及靜電集塵區變壓器的輸入電壓，在整個循環過程中實現對凈化系統的精準控制。STM32單片機還可以控制舵機[11]，使靜電集塵區進行滾筒式旋轉來提高集塵板對灰塵及粉塵的自清潔能力。

1.3 WiFi模塊和藍牙模塊

為實現對空氣凈化系統的遠程控制及空氣質量數據的傳輸，在智能控制系統中加入802.11b/g/n WiFi SoC模塊（型號為ESP8266），利用該模塊實現用戶的遠程操控以及數據傳輸。無線WiFi模塊的通信距離為100 m，完全可滿足遠程通信的需求，這意味著室內大部分區域可互通互聯，從而實現對空氣凈化系統的遠程控制和空氣質量的數據傳輸。HC-05藍牙模塊主要實現空氣凈化系統與客戶端的連接，實物如圖4所示。

2 空氣質量檢測系統

空氣質量檢測裝置（FKT-MK-AQI）是一種可集成吸附CO、SO2、NO2、O3、PM10、PM2.5等氣體和顆粒，并可記錄溫度和濕度等參數的檢測模塊。空氣質量檢測系統具有檢測范圍廣、精度高等特點，實物如圖5所示。該系統的主要功能是通過藍牙或WiFi模塊將FKT-MK-AQI檢測的空氣數據傳輸給STM32單片機和用戶手機端。

3 凈化和自清潔系統

3.1 凈化系統的設計

室內環境質量差時，空氣質量檢測系統會將數據反饋至用戶應用程序，用戶可通過手機端進行遠程控制，開啟空氣凈化系統，凈化原理如圖6所示。首先，污染空氣經微風扇吸入初級濾網，將大顆粒灰塵過濾掉，過濾后的空氣進入靜電集塵區，PM2.5、PM10等顆粒因靜電作用被吸附在集塵板上。其次，靜電集塵板放電產生臭氧，可進一步分解空氣中的甲醛、甲苯等有害物質。最后，經多層凈化后的空氣進入紫外殺菌區，通過紫外燈對臭氧的分解作用，消除多余的臭氧，同時完成最后的殺菌工序，從而得到潔凈的室內空氣。

3.2 靜電集塵系統

靜電集塵系統（圖7）主要由上下兩個圓筒外殼（圖8）、柱體和舵機支架（圖9（a））、旋轉柱體（圖9（b））、集塵板固定架（圖10（a））、荷電極固定架（圖10（b））、集塵板和荷電極（圖10（c））組成。圓筒外殼直徑為200 mm、厚度為2 mm、高度為150 mm，其中標記1為支架固定槽，共九個（見圖8（b）），用于固定兩個柱體支架和一個舵機支架。標記2為排污口，標記3為進水口，高壓水由進水口3進入，對靜電集塵板清洗后由2排出。4為螺絲固定口，用于固定上下兩個圓筒外殼。標記5為線孔，電線經此進入圓筒內為靜電集塵板供電。標記6為紫外燈固定孔。

柱體支架、舵機支架、旋轉柱體等示意圖如圖9所示。將旋轉柱體（圖9（b））穿入三角柱體支架（圖9（a））孔中固定，每一片三角柱體通過滾珠軸承（圖9（c））連接，上方通過方形開口固定舵機。另外，中空結構的柱體上有三個開口，用于電源線的引入，經圓形開口后連接靜電集塵板和荷電極（如圖10（c）所示）。靜電集塵系統開啟后，通過變壓器向荷電極和集塵板提供4～8 kV的電壓，空氣由荷電極一側被微風扇吸入后，其中的灰塵會帶上電荷，在經過集塵區時被吸附在集塵板上。

3.3 紫外殺菌系統

在靜電集塵板電離空氣過程中會產生少量臭氧。由于臭氧在常溫下極不穩定，易分解成氧氣和氧原子，具有強氧化性，可氧化分解細菌內部的酶、DNA或RNA，進而破壞細菌和病毒的新陳代謝系統進而達到殺菌的目的。故本文采用紫外線來消除多余的臭氧，紫外燈實物如圖11所示。

3.4 自清潔系統

靜電集塵板工作一段時間后，其上會吸附大量灰塵顆粒，將大大影響其集塵效率。為解決此問題，特設計了一套自清潔系統，主要由舵機及霧化水泵組成。工作原理：自清潔系統啟動后，STM32單片機關閉變壓器、紫外燈和微風扇，同時啟動舵機和霧化水泵，進而噴出霧化的水霧在集塵板上凝結為水珠，舵機帶動旋轉柱體轉動，通過滾珠軸承帶動靜電集塵板旋轉，舵機旋轉使得集塵板傾斜，同時由于水珠的重力作用，水珠將吸附灰塵一起流出，實現自清潔。自清潔過程如圖12所示。

4 Comsol數值模擬

為保證凈化系統功能的完整性和凈化效率的可靠性，本文通過Comsol對一個面積為35 m2的辦公室進行了空氣動力學模擬。辦公室的結構布局如圖13（a）所示，其長、寬分別為7 m和5 m。在左側和右側分別設有1 m寬的門和0.75 m寬的窗戶，在軟件中將其設置為開放邊界。室內空氣中甲醛初始體積分數為0.5 mg/m3，室內溫度為25 ℃，空調出風口的出風速度為0.15 m/s，空氣凈化系統進風口流量為0.02 m3/s。圖13（a）中，空氣凈化器放置于5號位置，模擬2 min后的甲醛體積分數分布圖。結果表明，由于空調氣流影響，甲醛在室內的體積分數不均勻，會極大地影響空氣凈化器的凈化效率。另外，從圖13（c）、圖13（d）看出，在室內僅安裝空調或風扇的情況下，甲醛從0.5 mg/m3下降至安全值（室內甲醛的安全標準為0.08 mg/m3）需23 min，且發現在不同位置，甲醛體積分數的下降速度不一致，這表明人在進入辦公室后的半小時內都會受到甲醛的影響。隨后，測試了在不同位置放置空氣凈化器對室內甲醛凈化的影響。如圖13（e）～圖13（p）。

空氣凈化器的擺放位置將極大地影響空氣凈化器的效率。經驗證，放在4號位置具有最佳效果，室內平均甲醛體積分數下降至安全值僅需7 min；放置在6號位置凈化效果最差，需17 min。

通過Comsol模擬，只需設定好房間內出風設備的位置、出風速度或出風量等條件，就可以對任意結構的房間進行空氣流動分析并確定空氣凈化器最佳的放置位置，可大幅提高空氣凈化速度。

5 結 語

本文設計了一種物聯網聯動的智能空氣凈化系統。該系統可根據不同的應用需求和空氣污染特點進行全局設計和參數調優，以滿足不同環境下的凈化要求。該系統除了具有靜電集塵凈化、自清潔等功能外，還具有實時數據監測和分析能力。本文進一步通過 Comsol 模擬軟件、傳感器和控制模塊監測、采集、分析空氣數據，發現可通過優化凈化器的擺放位置達到更好的凈化效果。最后，利用遠程控制和智能調度實現自動凈化管理。通過對凈化過程的數據進行分析和建模，優化凈化系統的運行策略和能源利用率，為空氣凈化領域的發展做出貢獻。

注：本文通訊作者為宋昌盛。

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